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              PCB設計大講堂:采用EMC專家系統和三維模擬工具建立和驗證EMC設計規則

              發布時間 :2018-02-01 14:00 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
              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問題的設計規則,并在電路板尚未開始生產之前運用這些設計規則來發現潛在的設計問題。藉由預防EMC故障,能夠縮短產品上市時間。本文將概要論述EMC專家系統和三維分析工具在設計規則建立及驗證中的作用。
               
              現代電子系統的速度越來越快,設計的復雜程度也越來越高,PCB設計工程師將面臨兩方面的EMC問題:
              一方面,共模電磁雜訊隨時鐘頻率的提高而增大,差模電磁雜訊隨時鐘頻率平方的增加而增大,電子系統的工作速度越高,EMC的分析就越重要;
              另一方面,不斷提升的系統復雜度使得PCB設計工程師無法及時運用復雜的三維模擬工具來模擬系統的EMI。除系統的復雜度以外,新技術的引入如先進的器件封裝技術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PCB設計工程師小組轉而求助于EMC專家系統。這些專家系統工具的工作方式類似于真正的EMC專家解決實際的EMC問題,內置的設計規則檢查器(DRC)幫助PCB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專家系統工具提供了很好的EMC解決方案,然而如果設計規則本身不淮確,那么設計規則檢查也就失去了意義。為了保證EMC專家系統的品質,用戶必須確保所有的規則是藉由驗證和確認的正確的設計規則。PCB設計工程師小組可以加入行業協會(例如密蘇?大學EMC協會)來驗證和確認現有的設計規則,也可以建立新的設計規則。當然設計小組內部也可以聘請EMC專家來實施設計系統的詳細的(通常都是三維)建模和模擬。
              圖1a:尺寸大致相同的電源平面和接地平面;圖1b:運用20H規則消除邊緣效應
              圖1a:尺寸大致相同的電源平面和接地平面;圖1b:運用20H規則消除邊緣效應
              建模和模擬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,這主要是因為該過程的目標是要為未來的設計構造一整套設計規則檢查(DRC)庫。開發一整套高品質的EMC設計規則并且驗證其淮確性,這對一個企業的成功起著至關重要的作用。好的設計規則可以縮短公司產品的上市時間,更可以幫助企業超越競爭對手。
               
              內嵌在工具中的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淮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結構在三維空間進行映射,據此來判定這些PCB結構是否違反了一系列的物理設計規則。藉由評估,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零組件,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置到工具中基于標淮設計實踐的基本EMC參考資訊中。公司的EMC專家同樣也可以建立一個與定制設計規則一致的推薦數據庫。
               
              如上所述,設計規則和專家的建議也可以來自一個專業開發和收集EMC數據的行業協會。位于羅拉市的密蘇?大學EMC協會就是這樣一個組織,其前身是EMI專家系統聯盟。該團體是大學和工業界EMI/EMC方法學和技術評估組織,其研究已為多個專家系統工具中采用的算法分析和EMC規則提供了基礎。
               
              除了提供快速而淮確的分析之外,EMC專家工具一個關鍵的特徵就是新的設計規則的嵌入十分簡便。采用電子數據表格的模型輸入系統使得從標淮的數據手冊資料中輸入新的模型變得非常容易。這樣的EMC專家系統工具同樣也提供應用程式介面(API)來幫助輸入新的設計規則。API允許用戶描述詳細的設計規則,而由EMC專家系統工具來處理設計規則與電路板布局布線之間映射的細節。
               
              建立EMC設計規則
              創建或者驗證EMC設計規則通常采用有限差分時域(FDTD)辦法。FDTD方法在一個三維的網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據,相對于前面的數值而言這些場的數據隨時間跳躍變化?;贔DTD方法的三維模擬工具允許EMC工程師將對應EMC設計規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則:
              20H規則(是指大小不一致的電源/接地平面)、電源平面連通規則和布線跨越縫隙規則。為了驗證這些設計規則,可以使用EMC專家工具套件計算違反或符合該設計規則的PCB結構所對應的電磁場。工具套件中的三維模擬工具使用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邊緣效應。20H設計規則規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設計規則之后確實消除了邊緣效應。為了開發這樣的設計規則,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模擬,然后再對不同情況下的模擬結果進行比較。在EMC專家工具環境下,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。
               
              第二條設計規則是指將不同的電源平面連接起來以實現電磁場的屏蔽。電源平面上存在一個電源環時,要采用過孔將這個電源環吸附到電源平面上。這些過孔形成了一種屏蔽盒,因而可以屏蔽絕大部份的電磁場。要將這一結論應用到一個或更多特殊的EMC設計規則中,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。
              圖2a:布線和接地平面構成的“理想接地”;圖2b:增加第二個接地平面,兩接地平面之間有布線跨過縫隙;圖2c:在布線下放連通的兩個接地平面
              圖2a:布線和接地平面構成的“理想接地”;圖2b:增加第二個接地平面,兩接地平面之間有布線跨過縫隙;圖2c:在布線下放連通的兩個接地平面
               
              最后一條設計規則是如何處理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位部份使用不同的地平面,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”。白點表示大部份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
              優秀的EMC規劃包括兩個互相交迭的階段。在開發和確認階段,EMC專家建立并且測試一套設計規則如PCB設計規則、零組件的選擇規則以及時鐘速度規則等,這些設計規則將支援整個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問題的設計規則。在設計周期之外來完成這些耗時的設計規則驗證工作可以幫助廠商開發精確而完善的設計規則集,而EMC專家工具可以迅速地在設計周期之內、電路板尚未開始生產之前運用這些設計規則來發現潛在的問題。使用一套正確而完善的EMC設計規則集,這種方法可以取得很好的效果,而且藉由預防EMC故障,極大地縮短了產品的上市時間。


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