為了保證設計的PCB板具有高質量和高可靠性,設計者通常要對PCB板進行熱溫分析,機械可靠性分析。由于PCB板上的電子器件密度越來越大,走線越來越窄,信號的頻率越來越高,不可避免地會引入EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)的問題,所以對電子產品的電磁兼容分析顯得特別重要。與IC設計相比,PCB設計過程中的EMC分析和模擬仿真是一個薄弱環節。

PCB設計中EMC/EMI分析的對象

在PCB設計中,EMC/EMI主要分析布線網絡本身的信號完整性,實際布線網絡可能產生的電磁輻射和電磁干擾以及電路板本身抵抗外部電磁干擾的能力,并且依據設計者的要求提出布局和布線時抑制電磁輻射和干擾的規則,作為整個PCB設計過程的指導原則。具體來說,信號完整性分析包括同一布線網絡上同一信號的反射分析,阻抗匹配分析,信號過沖分析,信號時序分析,信號強調分析等;對于鄰近布線網絡上不同信號之間的串擾分析。在信號完整性分析時還必須考慮布線網絡的幾何拓撲結構,PCB絕緣層的電介質特性以及每一布線層的電氣特性。電磁輻射分析主要考慮PCB板與外部的接口處的電磁輻射,PCB板中電源層的電磁輻射以及大功率布線網絡動態工作時對外的輻射問題。如果電路設計中采用了捆綁于大功率IC上的散熱器(例如奔騰處理器外貼的金屬散熱器),那么這樣的散熱器在電路動態工作中如同天線一樣不停地向外輻射電磁波,因此必須列為EMC分析的重點。現在已經有了抑制電子設備和儀表的EMI的國際標準,統稱為電磁兼容(EMC)標準,它們可以作為普通設計者布線和布局時抑制電磁輻射和干擾的準則,對于軍用電子產品設計者來說,標準會更嚴格,要求更苛刻。對于高速數字電路設計,尤其是總線上數字信號速率高于50MHz時,以往采用集總參數的數學模型來分析EMC/EMI特性顯得無能為力,設計者們更趨向于采用分布參數的數學模型做布線網絡的傳輸線分析(TALC)。對于多塊PCB板通過總線連接而成的電子系統。還必須分析不同PCB板之間的電磁兼容性能。

EMC/EMI元件庫的支持

如今一塊電路板可能包括上百種來自于不同廠家、功能各異的電子元器件,設計者要進行EMC/EMI分析就必須了解這些元器件的電氣特性,之后才能具體模擬仿真。這在以往看來是一項艱巨的工作,現在由于有了IBIS和SPICE等數據庫的支持,使得EMC分析的問題迎刃而解。鑒于SPICE3,HSPICE,PSPICE這些數據模型已為廣大的電路設計者所熟知,在此著重介紹IBIS。IBIS(I/O Buffer Interface Specification),即ANSI/EIA-656,是一種通過測量或電路仿真得到,基于V/I曲線的I/O緩沖器的快速而精確描述電氣性能的模型。

1990年由INTEL牽頭、聯合數家著名的半導體廠商共同制定了IBIS V1.0的行業標準,經過不斷的完善和發展,于1997年更新為IBIS V3.0。現在此標準已被NS、Motorola、TI、IDT、Xilinx、Siemens、Cypress、VLSI等數百家半導體廠商支持,同時Cadence、Mentor、Incases、Zuken-Redac等RDA公司在各自的軟件中也添加了有關IBIS的功能模塊。IBIS文件是一種文本文件,是通過標準軟件格式生成的"行為"信息的描述,以說明IC的模擬電氣特性。多數IBIS模塊來源于SPICF模型,也可用實際測量得到的V/I曲線描述模型。IC的SPICE模型是各半民體廠商立足的商業秘密,受到知識產權的保護,而IBIS模型是對用戶完全開放的數據,所以設計者可以免費得到這些數據。大多數半導體廠商在自己的網站上或產品CD-ROM中發布相關IC的IBIS數據。由于EDA廠家和電子元器件廠商聯合支持IBIS和SPIICE等數據模型,設計者可以安心地將它們用于電路的模擬仿真或用于EDA工具中,輕松地進行EMC/EMI分析。

EMC/EMI模擬仿真與PCB設計相結合

以往的電子電路設計,工程師們多是憑借多年的開發經驗在PCB制成后,在硬件調試或電子設備的整機調試過程中解決EMC的問題,這顯然是一種定性不定量的、不可靠、不精確的方法。進入90年代以來,電子產品向著低功耗、低電磁輻射,小型化和輕型化的方向發展,而且要求能在復雜惡劣的環境中工作,為了盡量縮短產品的開發周期,工程師們不得不另辟新徑。更理想的PCB設計流程如圖1所示,在PCB設計的布局和布線階段加入EMC/EMI的準則。例如為了減少并行信號走線間的相互串擾,可以為為規定線線之間的距離不能小于一定的值。為了減少信號的反射,使輸入輸出阻抗匹配,避免出現振鈴現象,可以規定布線網絡的幾何拓撲結構,走線的長度,甚至于在信號的驅動端事輸出端端接阻容器件(常用的方法有串接電阻,并接上拉、下拉或上下接電阻,也可采用箝位二極管等方法)。在PCB布局布線結束后,在制作實際電路板之前對電路設計進行EMC/EMI的分析和模擬仿真。同時依據實際電路的動態工作頻率分析信號的強度、時延等特性。如果設計的PCB中含有與外部的接口,IC上外加了散熱器或電路本身功耗大時,必須進一步進行電磁輻射的模擬仿真分析。對于高速電路有必要進行布線網絡的TALC傳輸線分布參數分析。新加入的這些設計階段的步驟,實際上是把以前硬件調試的一些工作提前到計算機的設計平臺上來完成,其優越性是顯而易見的。因為有IBIS和SPICE等數據庫的支持,以往EMC/EMI不定量的捉摸不定的分析變為精確的與實測差別細微的計算結果,設計者根據模擬仿真的結果可以避免產品電磁兼容性差的弊病。

EDA開發廠商也漸漸注意到用戶在EMC/EMI模擬仿真領域的需求,德國的INCASES公司為設計者提供了EMC/EMI模擬仿真分析的軟件包EMC-WORKBENCH,成為該行業的領袖并多次主持了IEEE在EMC/EMI方面的研討會。EMC-WORKBENCH能夠滿足電路設計者在電磁兼容方面的迫切需求,改進了PCB設計的流程,簡化后期硬件調試中許多繁雜的工作。

IC內部布局和布線時必須充分考慮EMC的問題;眾多的EPLD和FPGA軟件在生成最終熔絲圖之前也要分析EMC的問題;對于構成電子系統的PCB必須分析電磁兼容和電磁干擾特性,這樣的設計原則正在越來越多的電路設計者中達成共識。由于有了EMC/EMI的模擬仿真使PCB的設計進入了新的時代,電子工程師們利用它可以在短期內設計出高質量高可靠性的產品。EMC/EMI模擬仿真分析的實施,必將給電路設計者和PCB制造業帶來無限商機。