采用EMC專家系統(tǒng)和三維仿真工具建立和驗(yàn)證EMC設(shè)計(jì)規(guī)則

使用EMC專家分析工具，設(shè)計(jì)小組可以審查和驗(yàn)證用于檢測(cè)PCB的EMC問(wèn)題的設(shè)計(jì)規(guī)則，并在電路板尚未開始生產(chǎn)之前運(yùn)用這些設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)預(yù)防EMC故障，能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。本文將概要論述EMC專家系統(tǒng)和三維分析工具在設(shè)計(jì)規(guī)則建立及驗(yàn)證中的作用。

DonziLiu
物理學(xué)博士
SunMicrosystems公司

GuydeBurgh
信號(hào)完整性設(shè)計(jì)部經(jīng)理
Innoveda公司

現(xiàn)代電子系統(tǒng)的速度越來(lái)越快，設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度也越來(lái)越高，設(shè)計(jì)工程師將面臨兩方面的EMC問(wèn)題：一方面，共模電磁噪聲隨時(shí)鐘頻率的提高而增大，差模電磁噪聲隨時(shí)鐘頻率平方的增加而增大，電子系統(tǒng)的工作速度越高，EMC的分析就越重要；另一方面，不斷提升的系統(tǒng)復(fù)雜度使得設(shè)計(jì)工程師無(wú)法及時(shí)運(yùn)用復(fù)雜的三維仿真工具來(lái)模擬系統(tǒng)的EMI。除系統(tǒng)的復(fù)雜度以外，新技術(shù)的引入如先進(jìn)的器件封裝技術(shù)以及越來(lái)越低的邏輯電壓擺幅也迫切需要實(shí)施EMI分析。

面對(duì)這種情況，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)工程師小組轉(zhuǎn)而求助于EMC專家系統(tǒng)。這些專家系統(tǒng)工具的工作方式類似于真正的EMC專家解決實(shí)際的EMC問(wèn)題，內(nèi)置的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器(DRC)幫助設(shè)計(jì)工程師迅速鑒別PCB和MCM中最主要的EMC問(wèn)題，甚至還提供解決這些EMC問(wèn)題的建議和可行的解決方案。

雖然EMC專家系統(tǒng)工具提供了很好的EMC解決方案，然而如果設(shè)計(jì)規(guī)則本身不準(zhǔn)確，那么設(shè)計(jì)規(guī)則檢查也就失去了意義。為了保證EMC專家系統(tǒng)的質(zhì)量，用戶必須確保所有的規(guī)則是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)的正確的設(shè)計(jì)規(guī)則。設(shè)計(jì)工程師小組可以加入行業(yè)協(xié)會(huì)(例如密蘇里大學(xué)EMC協(xié)會(huì))來(lái)驗(yàn)證和確認(rèn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)則，也可以建立新的設(shè)計(jì)規(guī)則。當(dāng)然設(shè)計(jì)小組內(nèi)部也可以聘請(qǐng)EMC專家來(lái)實(shí)施設(shè)計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)的(通常都是三維)建模和仿真。

建模和仿真需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，然而這一過(guò)程通常都可以獨(dú)立于設(shè)計(jì)周期而實(shí)現(xiàn)，這主要是因?yàn)樵撨^(guò)程的目標(biāo)是要為未來(lái)的設(shè)計(jì)構(gòu)造一整套設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)庫(kù)。開發(fā)一整套高質(zhì)量的EMC設(shè)計(jì)規(guī)則并且驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，這對(duì)一個(gè)企業(yè)的成功起著至關(guān)重要的作用。好的設(shè)計(jì)規(guī)則可以縮短公司產(chǎn)品的上市時(shí)間，更可以幫助企業(yè)超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

內(nèi)嵌在工具中的EMC專家分析

EMC專家工具最主要的作用在于它可以迅速并且準(zhǔn)確地評(píng)估電路板設(shè)計(jì)中的EMC問(wèn)題。這樣的工具通常將電路板的布局布線文件作為輸入，將不同的PCB結(jié)構(gòu)在三維空間進(jìn)行映射，據(jù)此來(lái)判定這些PCB結(jié)構(gòu)是否違反了一系列的物理設(shè)計(jì)規(guī)則。通過(guò)評(píng)估，EMC專家工具以列表的方式加亮顯示有問(wèn)題的電路板布線和元器件，并且可以同時(shí)查看電路板設(shè)計(jì)的問(wèn)題所在。

除了給出問(wèn)題列表以外，用戶也能夠獲得解決這些問(wèn)題的專家建議。這些專家的建議可以內(nèi)置到工具中基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)踐的基本EMC參考信息中。公司的EMC專家同樣也可以建立一個(gè)與定制設(shè)計(jì)規(guī)則一致的推薦數(shù)據(jù)庫(kù)。

如上所述，設(shè)計(jì)規(guī)則和專家的建議也可以來(lái)自一個(gè)專業(yè)開發(fā)和收集EMC數(shù)據(jù)的行業(yè)協(xié)會(huì)。位于羅拉市的密蘇里大學(xué)EMC協(xié)會(huì)就是這樣一個(gè)組織，其前身是EMI專家系統(tǒng)聯(lián)盟。該團(tuán)體是大學(xué)和工業(yè)界EMI/EMC方法學(xué)和技術(shù)評(píng)估組織，其研究已為多個(gè)專家系統(tǒng)工具中采用的算法分析和EMC規(guī)則提供了基礎(chǔ)。

除了提供快速而準(zhǔn)確的分析之外，EMC專家工具一個(gè)關(guān)鍵的特征就是新的設(shè)計(jì)規(guī)則的嵌入十分簡(jiǎn)便。采用電子數(shù)據(jù)表格的模型輸入系統(tǒng)使得從標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)手冊(cè)資料中輸入新的模型變得非常容易。這樣的EMC專家系統(tǒng)工具同樣也提供應(yīng)用程序接口(API)來(lái)幫助輸入新的設(shè)計(jì)規(guī)則。API允許用戶描述詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)則，而由EMC專家系統(tǒng)工具來(lái)處理設(shè)計(jì)規(guī)則與電路板布局布線之間映射的細(xì)節(jié)。

建立EMC設(shè)計(jì)規(guī)則

創(chuàng)建或者驗(yàn)證EMC設(shè)計(jì)規(guī)則通常采用有限差分時(shí)域(FDTD)辦法。FDTD方法在一個(gè)三維的網(wǎng)格上求解麥克斯韋方程，并且在一個(gè)立方體上繪出電場(chǎng)圖，而在立方體中心的一個(gè)球體上繪出磁場(chǎng)圖。FDTD方法的計(jì)算處理過(guò)程不斷更新電場(chǎng)和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，相對(duì)于前面的數(shù)值而言這些場(chǎng)的數(shù)據(jù)隨時(shí)間跳躍變化?；贔DTD方法的三維仿真工具允許EMC工程師將對(duì)應(yīng)EMC設(shè)計(jì)規(guī)則的電場(chǎng)和磁場(chǎng)建模。

作為建模的一個(gè)例子，要考慮這樣三個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則：20H規(guī)則(是指大小不一致的電源/接地平面)、電源平面連通規(guī)則和布線跨越縫隙規(guī)則。為了驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)規(guī)則，可以使用EMC專家工具套件計(jì)算違反或符合該設(shè)計(jì)規(guī)則的PCB結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)。工具套件中的三維仿真工具使用FDTD方法來(lái)計(jì)算電磁場(chǎng)，在三維圖形上以不同的顏色來(lái)表示場(chǎng)強(qiáng)的變化。

圖1a和圖1b所示為對(duì)應(yīng)于20H設(shè)計(jì)規(guī)則的問(wèn)題及其解決方法。圖1a中電源平面和接地平面的尺寸基本一致，這是設(shè)計(jì)中最常見的情況，然而這種情況會(huì)導(dǎo)致在平面層的邊緣部位出現(xiàn)邊緣效應(yīng)。20H設(shè)計(jì)規(guī)則規(guī)定電源平面應(yīng)小于接地平面來(lái)消除邊緣效應(yīng)。

圖1b則表明運(yùn)用20H設(shè)計(jì)規(guī)則之后確實(shí)消除了邊緣效應(yīng)。為了開發(fā)這樣的設(shè)計(jì)規(guī)則，用戶只需嘗試不同的電源平面與接地平面尺寸及相互之間的間隔，對(duì)這些不同的情況分別進(jìn)行仿真，然后再對(duì)不同情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。在EMC專家工具環(huán)境下，工具將自動(dòng)地檢查電源平面與接地平面之間的距離，并且同這些平面層的尺寸進(jìn)行比較。

第二條設(shè)計(jì)規(guī)則是指將不同的電源平面連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的屏蔽。電源平面上存在一個(gè)電源環(huán)時(shí)，要采用過(guò)孔將這個(gè)電源環(huán)吸附到電源平面上。這些過(guò)孔形成了一種屏蔽盒，因而可以屏蔽絕大部分的電磁場(chǎng)。要將這一結(jié)論應(yīng)用到一個(gè)或更多特殊的EMC設(shè)計(jì)規(guī)則中，用戶可以使用三維場(chǎng)提取工具來(lái)探索不同的過(guò)孔連接，確保電磁場(chǎng)的有效抑制。

最后一條設(shè)計(jì)規(guī)則是如何處理PCB布線跨越分割兩個(gè)地平面之間縫隙的情況。在PCB板上可能為設(shè)計(jì)的模擬和數(shù)字部分使用不同的地平面，也有可能為不同的電源電壓設(shè)置不同的地區(qū)域。如果一個(gè)PCB布線跨越這些地平面之間的縫隙，就會(huì)有返回電流在縫隙周圍流過(guò)，因而會(huì)導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題。

圖2a顯示了一個(gè)帶一根PCB線的接地平面形成的“理想的地”。白點(diǎn)表示大部分回流電流都集中在中心附近，而且正好在PCB布線的下面。但是在圖2b中，當(dāng)增加另一個(gè)接地平面，使得PCB布線跨越兩個(gè)接地平面之間的縫隙時(shí)，電流將流過(guò)縫隙的邊緣。在PCB布線的下面連接這兩個(gè)接地平面(因?yàn)樗鼈兌继幱谕浑娢?就可以解決這一問(wèn)題。這樣，電流就從布線中心的正下方返回，如圖2c所示。

考慮到接地平面可能是不規(guī)則的，并且必須將多層PCB板的接地平面分別進(jìn)行比較，不借助DRC這樣的功能要找出穿越縫隙的走線可能會(huì)很困難。然而，EMC專家工具卻可以很容易地檢測(cè)出這樣的問(wèn)題，而且這種設(shè)計(jì)規(guī)則的描述和形成也很簡(jiǎn)單。DRC可以自動(dòng)地檢測(cè)出任意一根PCB布線是在地平面之上還是在地平面之下，因此主要的任務(wù)就是指明可能在特定信號(hào)頻率上導(dǎo)致問(wèn)題的設(shè)計(jì)尺寸。

本文總結(jié)

優(yōu)秀的EMC規(guī)劃包括兩個(gè)互相交疊的階段。在開發(fā)和確認(rèn)階段，EMC專家建立并且測(cè)試一套設(shè)計(jì)規(guī)則如PCB設(shè)計(jì)規(guī)則、元器件的選擇規(guī)則以及時(shí)鐘速度規(guī)則等，這些設(shè)計(jì)規(guī)則將支持整個(gè)PCB設(shè)計(jì)。

使用EMC專家分析工具，設(shè)計(jì)小組可以審查和驗(yàn)證用于PCB和MCM上檢測(cè)EMC問(wèn)題的設(shè)計(jì)規(guī)則。在設(shè)計(jì)周期之外來(lái)完成這些耗時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證工作可以幫助廠商開發(fā)精確而完善的設(shè)計(jì)規(guī)則集，而EMC專家工具可以迅速地在設(shè)計(jì)周期之內(nèi)、電路板尚未開始生產(chǎn)之前運(yùn)用這些設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。使用一套正確而完善的EMC設(shè)計(jì)規(guī)則集，這種方法可以取得很好的效果，而且通過(guò)預(yù)防EMC故障，極大地縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間。

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