CST公司PCB的電磁兼容性解決方案的優勢分析

　　CST是目前全球最大的純電磁場仿真軟件公司。其產品廣泛應用于通信、國防、自動化、電子和醫療設備等領域。2007年CST收購并絕對控股了德國Simlab公司，將其下整個團隊和軟件全面納入CST的管理和軟件開發計劃之中，同時在原有 PCBMod軟件基礎上開發全新算法和功能，并更名為CST印制板工作室(CST PCB STUDIOTM)。通過把EMC仿真工作集成到整個產品的開發流程中去，可以幫助設計者大幅降低所設計產品通不過EMC測試的風險。這樣既可以幫助設計者提升對電磁現象的理解同時還可以幫助設計者有效的判斷哪種電磁設計可以提升產品的性能水平。

　　CST印制板工作室相比業內其他軟件最大的優勢就是，它不只能解決印制板自身的電磁兼容問題，如過孔導線器件之間 EMC，基于CST設計環境( CST DESIGN ENVIRONMENT?)其他工作室的協同仿真，CST印制板工作室還能解決印制板對外的電磁輻射和加載外部器件情況下的電磁兼容問題，如與CST微波工作室(CST MICROWAVE STUDIO?)協同仿真印制板加載在機箱中對周圍器件和外部的電磁輻射，加載外部設備和上層建筑后的電磁兼容問題等等，工作室之間完全無縫連接，統一在 CST設計環境下協同仿真，實現了印制板內外系統的電磁仿真。

　　目前PCB的電磁兼容性問題大致可以分為三類：信號完整性(SI)、電源完整性(PI)和電磁輻射(EMI)。

　　印制板信號完整性SI

　　對于印制板整板或某些網絡走線間的網絡傳遞函數是描述印制板上信號線信號完整性以及信號線間串擾度的定量表征。 CST印制板工作室采用2D邊界元法(BEM)和2.5D部分元等效電路(PEEC)提取PCB Layout的分布式參數，并采用基于SPICE模型的仿真器對印制板進行信號完整性仿真。圖1所示的是一印制電路板上的兩條走線。這兩條走線物理上沒有相連，當走線上傳輸信號頻率比較低時，可以用基爾霍夫定律進行分析，即這兩條走線是互不相關的。但是左邊走線的2號端口與右邊走線的3號端口間距比較近，當這兩條走線上的信號頻率不斷上升時，它們之間分布式電容會導致原本不相連走線上的高頻信號串擾到另一條走線上。

　　圖1 PCB模型

　　CST印制板工作室采用的部分元等效電路是基于積分形式的Maxwell方程，對PCB結構網格化成很小的電氣單元，用等效電路分別計算各單元間的耦合關系，從而生成等效電路矩陣，使電磁場的求解轉化成相應的等值電路方程的求解，是一種有效的電路參數建模和參數提取方法。如圖2所示的PEEC網格中，紅色部分表示電阻和自感，藍色部分表示的電容和互感。

　　圖2 PCB網格

　　提取完模型參數后即可利用CST印制板工作室的S參量仿真器進行廣義S參量的仿真。如圖3所示：

　　圖3 S參量結果

　　采用CST印制板工作室的時域瞬態仿真器，并結合軟件自帶的眼圖輸入信號，即可進行眼圖的仿真。仿真得到走線另一端的接收信號以及鄰近走線上的串擾信號。如圖4所示：

　　圖4 眼圖輸入、輸出及串擾信號

　　除了CST印制板工作室，CST微波工作室也可以進行印制板的信號完整性分析。CST微波工作室是通用的高頻無源仿真軟件，集時域和頻域算法為一體包含七種全波算法：時域有限積分、頻域有限積分、頻域有限元、模式降階法、矩量法、多層快速多極子和本征模法。圖5給出了CST仿真IBM復雜PCB并進行信號完整性分析的考題，仿真得到的電壓延時與實測只差0.002ns。

　　圖5 IBM考題實物模型

　　圖6 仿真結果

　　印制板的電源完整性PI

　　實際情況下電源回路的阻抗不是恒定的，而是頻率的某一函數。CST印制板工作室可以仿真由于印制板間各分布式參數導致的電源回路阻抗在各頻帶上特性，并可以幫助設計者發現高阻頻段，通過改變布線或添加旁路電容等方法改善印制板的電源完整性。

　　在實際的工程應用中，為了保證電源完整性，通常對電源回路的阻抗特性有一定要求。如圖7所示為一印制板的數字電源部分。對于該印制板，工程上對輸入阻抗的要求如圖8所示。

　　圖7 PCB電源層

　　圖8 輸入阻抗特性要求

　　用CST印制板工作室對該PCB生成網格后，建立如圖9所示的電路以仿真裸板情況下的輸入阻抗特性。該電路中在原本加電容的位置用100MΩ代替以模擬開路情況下的阻抗。

　　圖9 裸板時的仿真電路

　　圖10 裸板時的輸入阻抗特性曲線

　　顯然圖10顯示的裸板情況下的輸入阻抗的特性曲線在低頻時不滿足輸入阻抗的特性要求，在高頻時也有部分頻段超標。要改善輸入阻抗的話可以考慮添加旁路電容，在仿真電路的電容位置加上容值為10nF的電容，同時為了更加準確地模型實際的電容的特性，需要考慮電容自身的寄生電感和電阻。這里，將電容的寄生電感值設為1nH，電阻值設為0.01Ω。其仿真電路如圖11所示。

　　圖11 仿真電路

　　圖12 輸入阻抗特性曲線

　　從圖12所示的輸入阻抗特性曲線可以看出：在加入旁路電容之后，在低頻段，電源的輸入阻抗特性已經有了很大的改善，但是在高頻時仍有一些頻段超標。從阻抗特性上可以看到在高頻段，阻抗已經呈現電感的特性，因此高頻段的超標極有可能是由于電容的寄生電感的造成的。為此可以考慮選用質量更好的電容。這里，選用的電容的寄生電感為25pH，仿真電路如圖13所示。

　　圖13 仿真電路

　　圖14 輸入阻抗特性曲線

　　從圖14所示的輸入阻抗特性曲線中可以看到：選用寄生電感比較小的電容可以有效地抑制輸入阻抗的高頻段特性。從而保證在所要求的頻段上輸入阻抗均滿足要求。

　　隨著當今集成電路對供電穩定性的要求，印制板設計工程師需要關注于低電壓、低翻轉門限與大電流、多層長線供電所造成的壓降。利用CST電磁工作室的穩恒電流求解器可以仿真整個PCB的電壓分布，如圖15所示：

　　圖15 IR-Drop分析

　　印制板電磁輻射EMI

　　對于電子產品的電磁輻射，國際電工委(IEC：InternaTIonal Electrotechnical Commission)制定了強制標準。通常，印制板都只是系統中的一部分，在進行電磁輻射分析的時候除了要考慮印制板本身的輻射問題外，還需要考慮系統中其它設備對對電磁輻射的影響，尤其是帶有通風孔機箱的屏蔽效能。CST印制板工作室在進行SI仿真的同時，可以得到印制板上電流分布的幅度和相位信息，并通過與CST微波工作室的協同將該電流分布作為激勵源，然后再加上機箱，充分考慮孔、縫對電磁輻射的影響。仿真的結果自動與內嵌的EMC國際標準限值進行對比，如圖16所示。