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PCB設(shè)計仿真

發(fā)布時間:2011-05-19

中心議題:
  • PCB設(shè)計電磁兼容仿真
解決方案:
  • 基于EMC規(guī)則的檢查
  • 各種仿真軟件對比

從根本上來說,電磁兼容在測試暗室內(nèi)針對現(xiàn)有的模型是進(jìn)行測試驗證的。這些測試不但價格昂貴而且還耗費(fèi)大量時間。在設(shè)計過程中應(yīng)用早期的軟件仿真用來減少測試的花費(fèi)已經(jīng)有很多方法。然而,EMC是一門復(fù)雜的學(xué)科,目前要想實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜電路板完全的3D仿真是十分困難的。由于這些難點(diǎn),專家們只能關(guān)注對電路板的關(guān)鍵區(qū)域的仿真,例如電源和接地系統(tǒng)或者單獨(dú)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò),來確定電磁場輻射(發(fā)射)和受輻射(敏感度)的原因。這些分析中獲得的知識將應(yīng)用于PCB電路設(shè)計者的設(shè)計原則中。

在最新開發(fā)的仿真軟件包中,用戶可以從最流行的PCB布局工具中看到完整的布線設(shè)計。布線回顧功能會檢查所有板層、網(wǎng)絡(luò)或者跡線的各種各樣的設(shè)計原則。軟件中可以導(dǎo)入以下幾個布線工具提供商的布線數(shù)據(jù):Altium、Cadence、Mentor、OrCAD和Zuken。該軟件是由來自專業(yè)仿真軟件公司的專家和知名的IT工業(yè)巨頭聯(lián)合開發(fā)的。前者提供與多種PCB布線工具的接口,而后者專注于數(shù)十年建立和驗證EMC/SI規(guī)則的專家系統(tǒng)。多年來,公司的專家們利用靈活的測量技術(shù)研究了很多EMC設(shè)計問題,最終建立了各種有效的設(shè)計規(guī)則。依據(jù)這些規(guī)則對關(guān)鍵設(shè)計進(jìn)行檢查,其結(jié)果通過測試進(jìn)行驗證。最終,將不同功能結(jié)合起來形成能夠識別常見的主要電磁騷擾來源的軟件工具。

這個一般用途的軟件不需要EMC方面的專家,它可以讓PCB板設(shè)計者檢查設(shè)計是否符合EMC規(guī)則。其次,軟件向布線設(shè)計人員提供了解決EM問題的詳細(xì)描述和可能的方案。集成瀏覽器可以顯示設(shè)計中違背EMC規(guī)則的精確位置。實(shí)際上,開發(fā)此軟件包的主要目的就是讓沒有相關(guān)EMC知識背景的用戶在設(shè)計中能夠更早更容易地精確定位出現(xiàn)EMC問題的地方,從而最小化測量和重新設(shè)計的成本。

基于規(guī)則的檢查

發(fā)射或者耦合是由某些幾何規(guī)則相違背造成的。例如,考慮電流回流的路徑,每一個信號都有一條信號軌跡預(yù)置好的路徑,但是在電源層和接地層經(jīng)常有回路出現(xiàn)。回路電流總是選擇電阻最小的路徑;同時在高頻條件下,選擇阻抗最低的路徑。這種新軟件可以確定哪條返回路徑是不連續(xù)的。例如,這個路徑有可能由于分離的平面而被中斷。如果回路在幾何位置上不能跟隨信號路徑,那么回路電流則會使用一條不同的路徑。依賴于回路電流周圍區(qū)域的大小,會出現(xiàn)一個天線輻射或接收干擾信號,導(dǎo)致EMC符合性的失敗或者可能的設(shè)計故障。這個軟件工具識別電源供電層中這樣不連續(xù)的銅對高頻來說是否由一個或者多個電容器相連結(jié)(如圖1)。那些電容器會形成一條對回路電流有著低阻抗的路徑,從而避免不希望的回路。


圖1由于電容距離信號太遠(yuǎn)以至于不能連接斷層而導(dǎo)致的EMC問題

另一個規(guī)則是搜索那些改變信號層和回路電流參考平面的網(wǎng)絡(luò)。如果信號跡線僅從參考平面上方改變到下方,產(chǎn)生的輻射很小。在這種情況下,回路電流可以繼續(xù)在同一個平面流動。如果信號層和參考平面同時改變,則回流路徑必須得到保證(如圖2)。在過孔附近使用電容器,必須避免產(chǎn)生不想要的路徑和環(huán)路的回路電流。這個軟件設(shè)計規(guī)則必須識別并允許在BGA下方的有孔的區(qū)域的層的改變,因為回流不會通過電容器但是會通過BGA。如果這個原則被違背了,層改變出現(xiàn)地方的過孔會由軟件強(qiáng)調(diào)顯示出來。


圖2如果信號層和參考平面同時改變,需要保證回流路徑

在較高的信號頻率,需要減少外部層線的長度,進(jìn)行線纜的最大允許的長度檢查,并且違背的地方將被指出。

另一條規(guī)則將檢查隔直電容器到電源電壓的連接引腳上的最大距離。因為隔直電容器的有效半徑很小,不能超過連接到去耦引腳所允許的距離。否則,電容器沒有作用而可被忽略。對這個規(guī)則的違背將與到各個電容的距離一起被列出來。最后一個重要的規(guī)則是跡線不能離參考平面層的邊緣太近。在這種情況下,線路阻抗將改變,并可能導(dǎo)致信號在阻抗的不連續(xù)處產(chǎn)生反射。

通過此軟件包,可以檢查具體的規(guī)則,通過一個錯誤列表引導(dǎo)用戶,然后顯示布線的關(guān)鍵區(qū)域。在設(shè)計階段的初期改變元器件的位置,可以創(chuàng)建防止電磁兼容問題產(chǎn)生的布線路徑,就不需要額外的屏蔽或者濾波器,從而節(jié)省寶貴的電路板空間和元件費(fèi)用。

隨著電路板設(shè)計變得越來越復(fù)雜,電磁兼容規(guī)范發(fā)展得愈來越嚴(yán)格,在設(shè)計階段的初期就尋求解決辦法是很有必要的。軟件仿真包,尤其當(dāng)其與廣泛使用的布線工具的有效接口的共同使用,在產(chǎn)品開發(fā)過程中有非常重大的意義。
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