采用EMC專家系統(tǒng)和三維仿真工具建立和驗證EMC設計規(guī)則

使用EMC專家分析工具，設計小組可以審查和驗證用于檢測PCB的EMC問題的設計規(guī)則，并在電路板尚未開始生產(chǎn)之前運用這些設計規(guī)則來發(fā)現(xiàn)潛在的設計問題。通過預防EMC故障，能夠縮短產(chǎn)品上市時間。本文將概要論述EMC專家系統(tǒng)和三維分析工具在設計規(guī)則建立及驗證中的作用。

DonziLiu
物理學博士
SunMicrosystems公司

GuydeBurgh
信號完整性設計部經(jīng)理
Innoveda公司

現(xiàn)代電子系統(tǒng)的速度越來越快，設計的復雜程度也越來越高，設計工程師將面臨兩方面的EMC問題：一方面，共模電磁噪聲隨時鐘頻率的提高而增大，差模電磁噪聲隨時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)復雜度使得設計工程師無法及時運用復雜的三維仿真工具來模擬系統(tǒng)的EMI。除系統(tǒng)的復雜度以外，新技術(shù)的引入如先進的器件封裝技術(shù)以及越來越低的邏輯電壓擺幅也迫切需要實施EMI分析。

面對這種情況，越來越多的設計工程師小組轉(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專家解決實際的EMC問題，內(nèi)置的設計規(guī)則檢查器(DRC)幫助設計工程師迅速鑒別PCB和MCM中最主要的EMC問題，甚至還提供解決這些EMC問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，然而如果設計規(guī)則本身不準確，那么設計規(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)過驗證和確認的正確的設計規(guī)則。設計工程師小組可以加入行業(yè)協(xié)會(例如密蘇里大學EMC協(xié)會)來驗證和確認現(xiàn)有的設計規(guī)則，也可以建立新的設計規(guī)則。當然設計小組內(nèi)部也可以聘請EMC專家來實施設計系統(tǒng)的詳細的(通常都是三維)建模和仿真。

建模和仿真需要耗費大量的時間，然而這一過程通常都可以獨立于設計周期而實現(xiàn)，這主要是因為該過程的目標是要為未來的設計構(gòu)造一整套設計規(guī)則檢查(DRC)庫。開發(fā)一整套高質(zhì)量的EMC設計規(guī)則并且驗證其準確性，這對一個企業(yè)的成功起著至關(guān)重要的作用。好的設計規(guī)則可以縮短公司產(chǎn)品的上市時間，更可以幫助企業(yè)超越競爭對手。

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確地評估電路板設計中的EMC問題。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)在三維空間進行映射，據(jù)此來判定這些PCB結(jié)構(gòu)是否違反了一系列的物理設計規(guī)則。通過評估，EMC專家工具以列表的方式加亮顯示有問題的電路板布線和元器件，并且可以同時查看電路板設計的問題所在。

除了給出問題列表以外，用戶也能夠獲得解決這些問題的專家建議。這些專家的建議可以內(nèi)置到工具中基于標準設計實踐的基本EMC參考信息中。公司的EMC專家同樣也可以建立一個與定制設計規(guī)則一致的推薦數(shù)據(jù)庫。

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

除了提供快速而準確的分析之外，EMC專家工具一個關(guān)鍵的特征就是新的設計規(guī)則的嵌入十分簡便。采用電子數(shù)據(jù)表格的模型輸入系統(tǒng)使得從標準的數(shù)據(jù)手冊資料中輸入新的模型變得非常容易。這樣的EMC專家系統(tǒng)工具同樣也提供應用程序接口(API)來幫助輸入新的設計規(guī)則。API允許用戶描述詳細的設計規(guī)則，而由EMC專家系統(tǒng)工具來處理設計規(guī)則與電路板布局布線之間映射的細節(jié)。

建立EMC設計規(guī)則

創(chuàng)建或者驗證EMC設計規(guī)則通常采用有限差分時域(FDTD)辦法。FDTD方法在一個三維的網(wǎng)格上求解麥克斯韋方程，并且在一個立方體上繪出電場圖，而在立方體中心的一個球體上繪出磁場圖。FDTD方法的計算處理過程不斷更新電場和磁場數(shù)據(jù)，相對于前面的數(shù)值而言這些場的數(shù)據(jù)隨時間跳躍變化?；贔DTD方法的三維仿真工具允許EMC工程師將對應EMC設計規(guī)則的電場和磁場建模。

作為建模的一個例子，要考慮這樣三個設計規(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。為了驗證這些設計規(guī)則，可以使用EMC專家工具套件計算違反或符合該設計規(guī)則的PCB結(jié)構(gòu)所對應的電磁場。工具套件中的三維仿真工具使用FDTD方法來計算電磁場，在三維圖形上以不同的顏色來表示場強的變化。

圖1a和圖1b所示為對應于20H設計規(guī)則的問題及其解決方法。圖1a中電源平面和接地平面的尺寸基本一致，這是設計中最常見的情況，然而這種情況會導致在平面層的邊緣部位出現(xiàn)邊緣效應。20H設計規(guī)則規(guī)定電源平面應小于接地平面來消除邊緣效應。

圖1b則表明運用20H設計規(guī)則之后確實消除了邊緣效應。為了開發(fā)這樣的設計規(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，對這些不同的情況分別進行仿真，然后再對不同情況下的仿真結(jié)果進行比較。在EMC專家工具環(huán)境下，工具將自動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行比較。

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

最后一條設計規(guī)則是如何處理PCB布線跨越分割兩個地平面之間縫隙的情況。在PCB板上可能為設計的模擬和數(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置不同的地區(qū)域。如果一個PCB布線跨越這些地平面之間的縫隙，就會有返回電流在縫隙周圍流過，因而會導致電磁干擾問題。

圖2a顯示了一個帶一根PCB線的接地平面形成的“理想的地”。白點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，當增加另一個接地平面，使得PCB布線跨越兩個接地平面之間的縫隙時，電流將流過縫隙的邊緣。在PCB布線的下面連接這兩個接地平面(因為它們都處于同一電位)就可以解決這一問題。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很困難。然而，EMC專家工具卻可以很容易地檢測出這樣的問題，而且這種設計規(guī)則的描述和形成也很簡單。DRC可以自動地檢測出任意一根PCB布線是在地平面之上還是在地平面之下，因此主要的任務就是指明可能在特定信號頻率上導致問題的設計尺寸。

本文總結(jié)

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

使用EMC專家分析工具，設計小組可以審查和驗證用于PCB和MCM上檢測EMC問題的設計規(guī)則。在設計周期之外來完成這些耗時的設計規(guī)則驗證工作可以幫助廠商開發(fā)精確而完善的設計規(guī)則集，而EMC專家工具可以迅速地在設計周期之內(nèi)、電路板尚未開始生產(chǎn)之前運用這些設計規(guī)則來發(fā)現(xiàn)潛在的問題。使用一套正確而完善的EMC設計規(guī)則集，這種方法可以取得很好的效果，而且通過預防EMC故障，極大地縮短了產(chǎn)品的上市時間。

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