提高PCB設(shè)計(jì)效率的方法--軟件仿真

從根本上來說，電磁兼容在測(cè)試暗室內(nèi)針對(duì)現(xiàn)有的模型是進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的。這些測(cè)試不但價(jià)格昂貴而且還耗費(fèi)大量時(shí)間。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用早期的軟件仿真用來減少測(cè)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(shí)將應(yīng)用于PCB電路設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)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(jì)。布線回顧功能會(huì)檢查所有板層、網(wǎng)絡(luò)或者跡線的各種各樣的設(shè)計(jì)原則。軟件中可以導(dǎo)入以下幾個(gè)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(yàn)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(cè)量技術(shù)研究了很多EMC設(shè)計(jì)問題，最終建立了各種有效的設(shè)計(jì)規(guī)則。依據(jù)這些規(guī)則對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，其結(jié)果通過測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。最終，將不同功能結(jié)合起來形成能夠識(shí)別常見的主要電磁騷擾來源的軟件工具。

　　這個(gè)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(jì)者檢查設(shè)計(jì)是否符合EMC規(guī)則。其次，軟件向布線設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)背景的用戶在設(shè)計(jì)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(cè)量和重新設(shè)計(jì)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(gè)信號(hào)都有一條信號(hào)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(shí)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(gè)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(hào)路徑，那么回路電流則會(huì)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)天線輻射或接收干擾信號(hào)，導(dǎo)致EMC符合性的失敗或者可能的設(shè)計(jì)故障。這個(gè)軟件工具識(shí)別電源供電層中這樣不連續(xù)的銅對(duì)高頻來說是否由一個(gè)或者多個(gè)電容器相連結(jié)（如圖1）。那些電容器會(huì)形成一條對(duì)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(hào)太遠(yuǎn)以至于不能連接斷層而導(dǎo)致的EMC問題

　　另一個(gè)規(guī)則是搜索那些改變信號(hào)層和回路電流參考平面的網(wǎng)絡(luò)。如果信號(hào)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(gè)平面流動(dòng)。如果信號(hào)層和參考平面同時(shí)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(gè)軟件設(shè)計(jì)規(guī)則必須識(shí)別并允許在BGA下方的有孔的區(qū)域的層的改變，因?yàn)榛亓鞑粫?huì)通過電容器但是會(huì)通過BGA。如果這個(gè)原則被違背了，層改變出現(xiàn)地方的過孔會(huì)由軟件強(qiáng)調(diào)顯示出來。

圖2 如果信號(hào)層和參考平面同時(shí)改變，需要保證回流路徑

　　在較高的信號(hào)頻率，需要減少外部層線的長(zhǎng)度，進(jìn)行線纜的最大允許的長(zhǎng)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?yàn)楦糁彪娙萜鞯挠行О霃胶苄?，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(duì)這個(gè)規(guī)則的違背將與到各個(gè)電容的距離一起被列出來。最后一個(gè)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(hào)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(gè)錯(cuò)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(jì)階段的初期改變?cè)骷奈恢?，可以?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。

　　結(jié)論

　　隨著電路板設(shè)計(jì)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(jì)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。