采用電磁場(chǎng)仿真和測(cè)量技術(shù)快速定位電源/地阻抗存在的問(wèn)題

摘要: 電源/地阻抗存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題對(duì)電子系統(tǒng)的電磁輻射有著重要影響。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真和測(cè)量工具可以直觀觀測(cè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所存在的EMI問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)電源/地之間阻抗超標(biāo)的點(diǎn)或區(qū)域，從而快速優(yōu)化去耦電容的布局,快速和有成本效益地將電磁輻射抑制在可接受的范圍。

關(guān)鍵詞:  電磁場(chǎng)仿真, 近場(chǎng)掃描測(cè)量, 電源/地阻抗, 去耦電容, 數(shù)字/模擬混合電路系統(tǒng)

電源與地之間的輸入阻抗是衡量電源供電系統(tǒng)特性的一個(gè)重要的指標(biāo)，影響電源供電系統(tǒng)特性的因素有：PCB的分層、電路板的布線、電源/地平面的形狀、元器件的布局、過(guò)孔和引腳的分布、IC的工作頻率等等因素。為了降低電源與地之間的阻抗，應(yīng)遵循以下一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 1. 降低電源和地板層之間的間距； 2. 增大平板的尺寸； 3. 提高填充介質(zhì)的介電常數(shù)； 4. 采用多對(duì)電源和地層。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，測(cè)量電源與地之間阻抗的一個(gè)重要應(yīng)用就是：優(yōu)化板上去耦電容的放置。

去耦電容的主要作用是抑制電路板本身特有的諧振以減少噪聲，同時(shí)，由于EMI或噪聲分布通常與整個(gè)電路板上各個(gè)區(qū)域電源/地阻抗的分布有著密切的關(guān)系，控制電源與地之間的阻抗，是降低電路板的輻射以控制EMI問(wèn)題的重要舉措之一。這里面包含兩方面的課題：1. 如何確定去耦電容的位置；2. 如何確定去耦電容的具體數(shù)值。

圖1  電源/地平面的模型結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的電源/地阻抗測(cè)量方法之一就是利用矢量分析儀來(lái)判斷電路板布局布線中存在的電源/地阻抗問(wèn)題。這種方法存在的主要問(wèn)題是：電路板必須設(shè)計(jì)制造出來(lái)并安裝好元器件，一旦發(fā)現(xiàn)諸如EMI或噪聲超標(biāo)之類(lèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，返工重新設(shè)計(jì)電路板的可能性就比較大。此外，利用該方法測(cè)量電源/地阻抗花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)、去耦電容的定位精度不夠、需要反復(fù)試驗(yàn)才能最終優(yōu)化去耦電容的布局。

另一方面，建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的去耦電容設(shè)計(jì)規(guī)則，一般要求：

*電源輸入端跨接一個(gè)10~100mF的電解電容器；
*為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01mF的陶瓷電容器；
經(jīng)驗(yàn)規(guī)則存在的重要問(wèn)題之一是有可能過(guò)多地添加去耦電容。
出于縮短上市時(shí)間和降低成本的考慮，系統(tǒng)制造商需要更為快速的方法，來(lái)觀測(cè)電路板系統(tǒng)上存在較大的電源/地阻抗的區(qū)域，并精確地優(yōu)化去耦電容的布局和設(shè)置，為此，本文著重介紹電磁場(chǎng)仿真和測(cè)量工具在定位較大電源/地阻抗點(diǎn)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)。

仿真工具：“零成本”定位電源/地阻抗設(shè)計(jì)問(wèn)題

在許多文獻(xiàn)中，采用有效電感來(lái)模擬電源和地平面的電特性。在低頻時(shí)的有效電感模型(圖1a)并沒(méi)有考慮在電源和地平面中波的傳播和諧振，因此，它不適合于模擬高速封裝結(jié)構(gòu)，模擬的結(jié)果也不精確。線天線模型(圖1b)是電源和地平面結(jié)構(gòu)的另一種近似。該方法能夠處理波的傳播和通孔的相互作用，但是對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，此外，要將這個(gè)頻域技術(shù)與時(shí)域電路仿真器直接連接起來(lái)也不方便。許多公司在電路仿真器中采用流行的2D電容/電感網(wǎng)格模型來(lái)模擬電源和地平面(圖1c)。采用這種方法，導(dǎo)電平面被分為小的單元，每個(gè)單元由單元中的電容和電感來(lái)模擬。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它適合于瞬態(tài)SPICE類(lèi)型電路的仿真。

對(duì)電源/地建模的目標(biāo)是壓縮電源/地噪聲、優(yōu)化去耦電容布局并選擇正確的去耦電容數(shù)值。這個(gè)過(guò)程中選擇的EDA工具必須具備下列基本組成部分：

(1) 可以提取傳輸線的RLGC矩陣的2D場(chǎng)求解工具；
(2) 有損傳輸線仿真器；
(3) 用于綁定線、通孔、金屬平面的3D場(chǎng)求解工具；
(4) IC、驅(qū)動(dòng)電路和接收器的行為模型。

表1是目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的EDA工具。

例如，利用Sigrity 公司的SI仿真工具，并通過(guò)一系列“what-if”仿真，可以確定恰當(dāng)?shù)鸟詈想娙葜?。圖2所示為4層電路板，各層分別為信號(hào)、電源、地和信號(hào)，芯片位于電路板的中央。圖3所示為10ns內(nèi)電源面和地面之間噪聲電壓歷史峰值的空間分布。從圖4很容易識(shí)別電源和板上去耦電容的位置。此外，還可以看到：上角顯示存在很大的電源/地噪聲波動(dòng)，而那里正是時(shí)鐘線通孔所在的位置。顯然，當(dāng)時(shí)鐘線從頂層向底層轉(zhuǎn)換時(shí)，電源和地之間的轉(zhuǎn)換孔耦合了電源/地噪聲。圖5表明：時(shí)鐘線通孔位于同步開(kāi)關(guān)噪聲的熱點(diǎn)。

圖2  同步開(kāi)關(guān)輸出期間電路板上存在問(wèn)題的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)

壓縮耦合噪聲的方案很簡(jiǎn)單。在電路板上角的時(shí)鐘通孔附近安裝一個(gè)去耦電容，該處的電源/地噪聲就降低了，時(shí)鐘線上的感應(yīng)耦合噪聲也降低到噪聲門(mén)限之下。

一般地說(shuō)，通過(guò)高精度建模計(jì)算并全波電磁場(chǎng)求解方法，例如三維有限差分時(shí)域(FDTD)方法或有限元方法(FEM)，原則上總能夠優(yōu)化整個(gè)電路板的去耦電容的布局，因此，是EDA行業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。

例如，Ansoft公司最新推出的NEXXIM作為新一代的時(shí)域和頻域電路仿真工具，具備對(duì)超復(fù)雜和大規(guī)模的射頻和模數(shù)混合電路進(jìn)行時(shí)域和頻域精確并快速混合仿真的能力。利用其獨(dú)特的電磁場(chǎng)仿真模型，可以對(duì)傳統(tǒng)仿真無(wú)法圓滿(mǎn)解決的特殊器件進(jìn)行精確建模，如一些特殊的非線性器件和變壓器(包括不對(duì)稱(chēng)和各種抽頭變壓器)等。同時(shí)，以其強(qiáng)大的仿真能力，支持目前日益復(fù)雜的系統(tǒng)及仿真。
安捷倫業(yè)已把它的EDA系列產(chǎn)品擴(kuò)展到包括完整的3D電磁場(chǎng)(EM)仿真，包括與電路布局的直接鏈接及協(xié)同仿真能力。

圖3  在1.5ns電源和地面之間的空間噪聲分布

Juniper Networks公司的Flomerics FLO/EMC為仿真電子設(shè)備內(nèi)部或周?chē)碾姶鸥袘?yīng)提供了一個(gè)分析環(huán)境，該軟件不同于通用的電磁仿真軟件，它采用Transmission Line Matrix (TLM, 傳輸線矩陣)方法來(lái)解麥克斯韋方程，可對(duì)EMC仿真發(fā)揮出最大優(yōu)勢(shì)。TLM方法實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)仿真周期中，有用信號(hào)的所有頻率通過(guò)一次運(yùn)算就可獲得系統(tǒng)的全部寬帶響應(yīng)，它對(duì)EMC分析的貢獻(xiàn)在于可能的響應(yīng)和輻射變化的頻譜范圍很寬。此外，TLM方法建立了等效傳輸線矩陣，并可以直接解出了它們的電壓和電流，從而精確地預(yù)知了電磁輻射的頻率和位置。

圖4  在10ns內(nèi)電源和地面之間的峰值噪聲電壓的空間分布

采用仿真工具的最大好處是：在電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之前，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的EMI問(wèn)題，并有可能快速優(yōu)化去耦電容的布局和設(shè)置，從而以“零成本”完成系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。

利用電磁場(chǎng)測(cè)量工具快速觀測(cè)電源/地阻抗設(shè)計(jì)問(wèn)題

高速PCB分析和仿真設(shè)計(jì)工具，可以幫助工程師在預(yù)知電磁輻射的頻率和位置方面解決一些問(wèn)題，但是，要精確仿真EMC問(wèn)題，就必須用SPICE模型，目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型，而如果沒(méi)有SPICE模型，EMC仿真是無(wú)法把器件本身的輻射考慮在內(nèi)的(器件的輻射比傳輸線的輻射大得多)。另外，仿真工具往往要在精度和仿真時(shí)間上進(jìn)行折中，精度相對(duì)較高的，需要的計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，而仿真速度快的工具，其精度又很低。因此，用這些工具進(jìn)行仿真，不能完全發(fā)現(xiàn)高速PCB設(shè)計(jì)存在的EMI和電源/地阻抗超標(biāo)等問(wèn)題。

圖5  在通孔處，時(shí)鐘樹(shù)受到同步開(kāi)關(guān)噪聲的影響

在各種電磁輻射測(cè)量方法中，常采用近場(chǎng)掃描測(cè)量方法。近場(chǎng)掃描原理的測(cè)量主要在活性近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行，DUT上發(fā)出的輻射信號(hào)大部分被耦合到磁場(chǎng)探頭上，少量能量擴(kuò)散到自由空間。磁場(chǎng)探頭耦合了近H場(chǎng)的磁通線以及PCB上的電流，另外它也獲取一些近E場(chǎng)的微量成分。大部分PCB活性近場(chǎng)區(qū)域能量都包含在近磁場(chǎng)中。容向科技的Emscan掃描系統(tǒng)就適合于對(duì)這些PCB的近場(chǎng)診斷。

Emscan測(cè)量可以得出下列非常重要的信息：干擾產(chǎn)生點(diǎn)、干擾分布、覆蓋大區(qū)域的干擾傳導(dǎo)路徑、干擾所在PCB區(qū)域以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)或臨近I/O模塊間的耦合等，還可以看到數(shù)字電路和模擬電路分開(kāi)的效果。 

此外，Emscan具有頻譜掃描功能和空間掃描功能。頻譜掃描的好處在于可以讓工程師對(duì)DUT產(chǎn)生的頻譜有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)：有多少個(gè)頻率分量，每個(gè)頻率分量的幅度大致是多少?？臻g掃描的結(jié)果，是針對(duì)一個(gè)頻率點(diǎn)的，是一張以顏色代表幅度的地形圖，工程師能實(shí)時(shí)看清PCB產(chǎn)生的某個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)的電磁場(chǎng)分布情況，從而對(duì)去耦電容的布局、參數(shù)選擇做出優(yōu)化。因此，利用電磁場(chǎng)測(cè)量工具觀測(cè)電源/地阻抗設(shè)計(jì)問(wèn)題也是目前行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。