採用電磁場仿真和測量技術快速定位電源/地阻抗存在的問題

2020-12-08 電子產品世界

摘要電源/地阻抗存在的設計問題對電子系統的電磁輻射有著重要影響。通過電磁場仿真測量工具可以直觀觀測電子系統設計所存在的EMI問題,發現電源/地之間阻抗超標的點或區域,從而快速優化去耦電容的布局,快速和有成本效益地將電磁輻射抑制在可接受的範圍。

關鍵詞:  電磁場仿真, 近場掃描測量, 電源/地阻抗, 去耦電容, 數字/模擬混合電路系統

電源與地之間的輸入阻抗是衡量電源供電系統特性的一個重要的指標,影響電源供電系統特性的因素有: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,應遵循以下一些設計準則: 1. 降低電源和地板層之間的間距; 2. 增大平板的尺寸; 3. 提高填充介質的介電常數; 4. 採用多對電源和地層。對於設計工程師來說,測量電源與地之間阻抗的一個重要應用就是:優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,由於EMI或噪聲分布通常與整個電路板上各個區域電源/地阻抗的分布有著密切的關係,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。這裡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值。

圖1  電源/地平面的模型結構

傳統的電源/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:電路板必須設計製造出來並安裝好元器件,一旦發現諸如EMI或噪聲超標之類的系統設計問題,返工重新設計電路板的可能性就比較大。此外,利用該方法測量電源/地阻抗花費的時間較長、去耦電容的定位精度不夠、需要反覆試驗才能最終優化去耦電容的布局。

另一方面,建立在經驗基礎上的去耦電容設計規則,一般要求:

*電源輸入端跨接一個10~100mF的電解電容器
*為每個集成電路晶片配置一個0.01mF的陶瓷電容器
經驗規則存在的重要問題之一是有可能過多地添加去耦電容。
出於縮短上市時間和降低成本的考慮,系統製造商需要更為快速的方法,來觀測電路板系統上存在較大的電源/地阻抗的區域,並精確地優化去耦電容的布局和設置,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/地阻抗點中的應用及其發展趨勢。

仿真工具:「零成本」定位電源/地阻抗設計問題

在許多文獻中,採用有效電感來模擬電源和地平面的電特性。在低頻時的有效電感模型(圖1a)並沒有考慮在電源和地平面中波的傳播和諧振,因此,它不適合於模擬高速封裝結構,模擬的結果也不精確。線天線模型(圖1b)是電源和地平面結構的另一種近似。該方法能夠處理波的傳播和通孔的相互作用,但是對於複雜的結構需要很長的計算時間,此外,要將這個頻域技術與時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採用流行的2D電容/電感網格模型來模擬電源和地平面(圖1c)。採用這種方法,導電平面被分為小的單元,每個單元由單元中的電容和電感來模擬。這種方法的主要優點是它適合於瞬態SPICE類型電路的仿真。

對電源/地建模的目標是壓縮電源/地噪聲、優化去耦電容布局並選擇正確的去耦電容數值。這個過程中選擇的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) 用於綁定線、通孔、金屬平面的3D場求解工具;
(4) IC、驅動電路和接收器的行為模型。

表1是目前市場上常見的EDA工具。

例如,利用Sigrity 公司的SI仿真工具,並通過一系列「what-if」仿真,可以確定恰當的耦合電容值。圖2所示為4層電路板,各層分別為信號、電源、地和信號,晶片位於電路板的中央。圖3所示為10ns內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,而那裡正是時鐘線通孔所在的位置。顯然,當時鐘線從頂層向底層轉換時,電源和地之間的轉換孔耦合了電源/地噪聲。圖5表明:時鐘線通孔位於同步開關噪聲的熱點。

圖2  同步開關輸出期間電路板上存在問題的時鐘網絡

壓縮耦合噪聲的方案很簡單。在電路板上角的時鐘通孔附近安裝一個去耦電容,該處的電源/地噪聲就降低了,時鐘線上的感應耦合噪聲也降低到噪聲門限之下。

一般地說,通過高精度建模計算並全波電磁場求解方法,例如三維有限差分時域(FDTD)方法或有限元方法(FEM),原則上總能夠優化整個電路板的去耦電容的布局,因此,是EDA行業發展的一個方向。

例如,Ansoft公司最新推出的NEXXIM作為新一代的時域和頻域電路仿真工具,具備對超複雜和大規模的射頻和模數混合電路進行時域和頻域精確並快速混合仿真的能力。利用其獨特的電磁場仿真模型,可以對傳統仿真無法圓滿解決的特殊器件進行精確建模,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,以其強大的仿真能力,支持目前日益複雜的系統及仿真。
安捷倫業已把它的EDA系列產品擴展到包括完整的3D電磁場(EM)仿真,包括與電路布局的直接連結及協同仿真能力。

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為仿真電子設備內部或周圍的電磁感應提供了一個分析環境,該軟體不同於通用的電磁仿真軟體,它採用Transmission Line Matrix (TLM, 傳輸線矩陣)方法來解麥克斯韋方程,可對EMC仿真發揮出最大優勢。TLM方法實現了在一個仿真周期中,有用信號的所有頻率通過一次運算就可獲得系統的全部寬帶響應,它對EMC分析的貢獻在於可能的響應和輻射變化的頻譜範圍很寬。此外,TLM方法建立了等效傳輸線矩陣,並可以直接解出了它們的電壓和電流,從而精確地預知了電磁輻射的頻率和位置。

圖4  在10ns內電源和地面之間的峰值噪聲電壓的空間分布

採用仿真工具的最大好處是:在電路板和系統設計完成之前,通過仿真發現系統設計中存在的EMI問題,並有可能快速優化去耦電容的布局和設置,從而以「零成本」完成系統的初步設計。

利用電磁場測量工具快速觀測電源/地阻抗設計問題

高速PCB分析和仿真設計工具,可以幫助工程師在預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間上進行折中,精度相對較高的,需要的計算時間很長,而仿真速度快的工具,其精度又很低。因此,用這些工具進行仿真,不能完全發現高速PCB設計存在的EMI和電源/地阻抗超標等問題。

圖5  在通孔處,時鐘樹受到同步開關噪聲的影響

在各種電磁輻射測量方法中,常採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域進行,DUT上發出的輻射信號大部分被耦合到磁場探頭上,少量能量擴散到自由空間。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活性近場區域能量都包含在近磁場中。容向科技的Emscan掃描系統就適合於對這些PCB的近場診斷。

Emscan測量可以得出下列非常重要的信息:幹擾產生點、幹擾分布、覆蓋大區域的幹擾傳導路徑、幹擾所在PCB區域以及內部結構或臨近I/O模塊間的耦合等,還可以看到數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。頻譜掃描的好處在於可以讓工程師對DUT產生的頻譜有一個大致的認識:有多少個頻率分量,每個頻率分量的幅度大致是多少。空間掃描的結果,是針對一個頻率點的,是一張以顏色代表幅度的地形圖,工程師能實時看清PCB產生的某個頻率點的動態的電磁場分布情況,從而對去耦電容的布局、參數選擇做出優化。因此,利用電磁場測量工具觀測電源/地阻抗設計問題也是目前行業發展的趨勢之一。


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