基于電磁場仿真和測量的電源/地阻抗問題定位

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. 采用多對電源和地層。對于設(shè)計(jì)工程師來說，測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/地阻抗測量方法之一就是利用矢量分析儀來判斷電路板布局布線中存在的電源/地阻抗問題。這種方法存在的主要問題是：電路板必須設(shè)計(jì)制造出來并安裝好元器件，一旦發(fā)現(xiàn)諸如EMI或噪聲超標(biāo)之類的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，返工重新設(shè)計(jì)電路板的可能性就比較大。此外，利用該方法測量電源/地阻抗花費(fèi)的時(shí)間較長、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)則存在的重要問題之一是有可能過多地添加去耦電容。

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，來觀測電路板系統(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仿真和測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。

仿真工具：“零成本”定位電源/地阻抗設(shè)計(jì)問題

在許多文獻(xiàn)中，采用有效電感來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，但是對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要很長的計(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模擬。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它適合于瞬態(tài)SPICE類型電路的仿真。

對電源/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場求解工具;

(4) IC、驅(qū)動(dòng)電路和接收器的行為模型。

例如，利用Sigrity 公司的SI仿真工具，并通過一系列“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、電源、地和信號，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關(guān)噪聲的熱點(diǎn)。

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

壓縮耦合噪聲的方案很簡單。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限之下。

一般地說，通過高精度建模計(jì)算并全波電磁場求解方法，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)特的電磁場仿真模型，可以對傳統(tǒng)仿真無法圓滿解決的特殊器件進(jìn)行精確建模，如一些特殊的非線性器件和變壓器(包括不對稱和各種抽頭變壓器)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(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)部或周圍的電磁感應(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)方法來解麥克斯韋方程，可對EMC仿真發(fā)揮出最大優(yōu)勢。TLM方法實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)仿真周期中，有用信號的所有頻率通過一次運(yùn)算就可獲得系統(tǒng)的全部寬帶響應(yīng)，它對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，通過仿真發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的EMI問題，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)。

利用電磁場測量工具快速觀測電源/地阻抗設(shè)計(jì)問題

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題，但是，要精確仿真EMC問題，就必須用SPICE模型，目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型，而如果沒有SPICE模型，EMC仿真是無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，精度相對較高的，需要的計(jì)算時(shí)間很長，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)等問題。

圖5 在通孔處，時(shí)鐘樹受到同步開關(guān)噪聲的影響

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

Emscan測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DUT產(chǎn)生的頻譜有一個(gè)大致的認(rèn)識：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)的電磁場分布情況，從而對去耦電容的布局、參數(shù)選擇做出優(yōu)化。因此，利用電磁場測量工具觀測電源/地阻抗設(shè)計(jì)問題也是目前行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。