PCB電路板的電磁兼容仿真設計

隨著世界上第一個電磁兼容性規范1944年在德國誕生，電磁兼容設計在現代電子設計中變得越來越重要。普通的10 kV/630 kW"箱式"變壓器低頻噪音輻射處的電場輻射一般可達800 V/m,電磁輻射可達30 B/μT,對工作在此環境下的無線傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對無線傳輸模塊進行抗電磁干擾設計。

1、PCB的抗干擾設計

1.1 硬件方面的抗電磁干擾設計

1）選擇集成度高，抗干擾能力強，功耗小的電子器件。
2）良好的接地設計。對于工作在2 MHz一下低頻應采取共地，即一點接地；對于工作在10 MHz以上的高頻應采用分地，即多點接地。同時，數字地和模擬地分開，中間用磁珠連接。對傳感器信號地線采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機IO端口，應該接地而不是接電源。
3）濾波處理。每個IC的電源端并聯一個高頻電容，減少IC對電源的影響。
4）PCB的設計：①布線時遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線路間的中心距離應該大于或者等于3倍的線寬。隨著線間距離的增大，同時也能減少線間的耦合串擾。②按照功能布局，不同模塊接對應的電源。③電源和地線盡量的粗，電流方向和信號線方向相同。④晶振盡量靠近單片機。⑤線路盡量使用45°折線而不是90°折線。⑥多層板設計，將電源層和接地層放在中間層，這樣利于各元器件的迅速接地，抑制共模干擾，有利于抗電磁干擾。

1.2 軟件方面的抗電磁干擾設計

1）使用看門狗，MSP430中已經集成，遂不贅述。
2）數據冗余技術，在噪聲幅度較大的環境巾傳輸數據，給數據增加一定的冗余位用于校驗，能增加檢錯和糾錯的能力，具有非常明顯的抗干擾效果。

2、電磁干擾仿真軟件介紹

電磁干擾的數值仿真過程也就是電磁場問題的數值計算過程，電磁數值計算的任務是基于麥克斯韋方程組，建立逼近實際問題的連續型數學模型，然后采用相應的數值計算方法，經離散化處理，解出模型的數值解，再經處理得出場域中任意點處的場強，能量，損耗分布，及其他參數。常見的計算法方法有時域有限元法、頻域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的積分方程，計算精度較高；頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計算量較大，其中Ansoft Designer就是基于頻域有限元方法的軟件。

Ansoft Desinger集成了高頻、基于物理原型的電磁建模、仿真及與電路和系統分析的無縫連接環境，為了獲得S參數和電流密度J,采用了混合電位積分方程（MPIE Mixed Potential Integral Equation）法和矩量法（MoM Method of Moments）分別計算之，這樣就能通過電流密度求得S參數和輻射場。

在Ansoft中，只要三維物體表面網格形成，則可利用混合點位積分方程（MPIE）進行分析：

式中：為垂直于網格平面的單位矢量；j為虛部單位；ω為角頻率（等于2f）；A表示矢量磁位；φ為標量電位；Zs為單個網格表面的電阻；J為網格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法（MoM）求解網格上的電流密度J,得到網格邊界線上法向方向的電流，在存儲網格邊界線方向電流分量后，網格內部每個點的電流值可通過網格邊界線法向電流分量差值得到。

3、PCB電磁兼容仿真步驟

3.1 PCB的設計、布線及輸出

PCB的設計在Prote199SE中進行，先在Protel中繪制原理圖，再經過錯誤檢查后，生成網絡圖，然后再進行布線。此PCB板設計為4層，底層和頂層都走信號線，中間兩層分別是地線和電源，底層和頂層所有有接地和接電源的引腳都以最短的具體接地和接到電源，保證了信號完整性及抗電磁干擾性。布線后的電路板如圖1所示。

PCB電路板的電磁兼容仿真設計

圖1 布線圖

設計好PCB板后，通過輸出功能輸出DXF文件。

3.2 導入Ansoft Designer并生成模型

導入時，先在Designer中新建一個PlanarEM項目，這里采用的是系統內置的雙面板的模板，為了生成相關印制板的實體模型，可以通過Ansoft Designer的Layout菜單中所列的ImPort file選項，將Protel導出的DXF文件導入到Planar EM項目中來，生成印制板的實體模型的各層，導入過程中，Protel和Ansoft Designer中設定的缺省單位要一致，先導入所有的層，再根據實際情況修改和調整PCB上各層的走線。PCB采用的介質材料是FR-4,完成上述工作后，整個印制板的仿真實體模型可在Ansoft Designer中建立。如圖2所示。

PCB電路板的電磁兼容仿真設計

圖2 導入Ansoft后的模型

3.3 設定解析條件

1）首先設定激勵（Excitations）用選擇工具選擇需要添加激勵的邊緣，然后右鍵單擊選擇Add Port.根據電路的實際情況，這里設定Port1,Port2,Port3,Port4共4個激勵源，電流幅度分別為0.1 A、0.2 A、0.1 A、0.3 A.
2）然后設定分析條件（Analysis）右鍵單擊添加解析方案設置（Adding Solution Setup），選定初始化網格為頻率等于60 Hz時的固定網格（Fixed Mesh），并且在網格精煉標簽（Mesh Refinement）中將精煉參數（Refinement Parameters）設置為缺省值。在增加的Setup1上右鍵單擊，選中Mesh Overlay和Dynamic Mesh Update,再添加頻率掃描（Adding SweepFrequency），類型選擇"離散"（Discrete），復選中"生成表面電流"（Generate Surf ace Current），開始頻率為40 Hz,終止頻率為60 Hz,步長2 Hz,一共10個頻率點。設定上面所有的條件后，還需要對設置進行初步校驗，校驗完成后即可開始對PCB實體模型進行解析。

4、仿真結果分析

4.1 原始結果分析

通過在Ansoft Designer中過對以上10個頻點的掃描，即可得到了PCB的電流圖和近場分布圖，這里以50 Hz點為例，分析得到的電流圖，E、H近場分布圖進行分析，如圖3、4、5可見，電路中出現4塊場強較強的區域，分布在2個晶振及射頻發射電路區域，其中晶振區域存在著敏感元件，而這部分正好輻射強度較大，這對于PCB的電磁兼容來說是不合適的。

PCB電路板的電磁兼容仿真設計