原创 模拟电磁干扰是否可能？

作者：John Rice
 

如今，由高频多相 DC/DC 转换器提供强大支持的千兆赫兹 (GHz) 处理器以 GHz速度与存储器进行通信。在这些频率上，组件和印刷电路板 (PCB) 寄生阻抗会产生与频率有关的电压降，而天线结构和 PCB 谐振接着又引发电磁干扰(EMI)、信号完整性和电源完整性 (SI/PI) 问题。在先前的一篇帖子中，我仔细研究了满足与超快速功率晶体管（比如：LMG5200 半桥 GaN开关）的电磁兼容性的难题。在这篇帖子中，我们将察看能够在制造之前帮助确定 PCB 问题区域的高度精细复杂的软件工具。

设计高速、混合信号 PCB 需要经验丰富的工程人员和设备资源 ,因此，开发成本会非常高，特别是在需要对一块电路板实施多次迭代以实现电磁兼容性的时候。EMI、SI 和 PI
设计问题会拖延产品发布，而且如果在产品发布之后未被发现，则势必导致客户退货、产品召回以及消费者信心的缺失。一家公司的盈利能力取决于其产品的谨慎分析，而且由于工作频率不断地提高，就愈发需要了解PCB 的电磁 (EM) 场运行方式了。 

幸运的是，相同的高速 GHz处理器和电路板已经在电路设计中实现了一种新的范式：非常先进的电路仿真。正如许多人已经知道的那样，可以运用电路仿真来优化电路性能，甚至完成已知 PCB器件的最坏情况电路分析。但是，能否对那些作为导致 EMI 和 SI/PI 问题发生之根源的“隐性”PCB 寄生元件进行仿真呢？幸运的是，如今的回答绝对是肯定的！

在过去的几年里我一直关注着 3-D EM 求解器的进展，并且对 Computer Simulation
Technology (CST) 专门围绕 3-D EM 分析所做的工作印象非常深刻。例如，我快速地把 LMG5200 评估板 CAD 文件作为一个 OBD++文件植入了 CST EMC Studio，并采用一个宽带激励信号对 PCB 平面、印制线和组件阻抗进行了特性分析。

在推进任何高速电路板设计的过程中，仔细地检查电路板走线、平面结构、过孔和组件布局是一个基本要素。在 CST EMCStudio 中，我发现电源地被连接至第二层上的一个较小的分离平面（图1）。当我把激励信号施加至连续且不间断的所示接地平面（而不是该分离平面）时，辐射发射的仿真结果有了显著的改善。该结果与之前采用 TEM单元测量的结果相当地一致，正如我在早先的一篇博客帖子中论述的那样。

图 1：CST
EMC Studio 中的层堆叠可视化

图 1中左侧的插图示出了输入“电源地”是如何连接至第二层上的一个分离平面（紫色平面）的。而位于右侧的插图则示出了第三层上的接地平面（用绿色表示）。 

采用 TINA-TI™ 软件进行的 LMG5200 的 SPICE 电路仿真预测了 LMG5200 在 60W、24V 至12V 电源转换中的开关操作特性，并示于图 2。该仿真可能也采用 CST Design Studio 做过。接着，将此开关波形应用于图 3 所示的采用 CSTDesign Studio 的“协同仿真”中的 3-D EM 仿真结果。然而值得注意的是，3-D EM 仿真是计算密集型的工作 － 在复杂的电路板网格中求解Maxwell 方程很耗时间！当采用一台具有一个图形处理单元和 8 GB 内存的四核计算机时，3-D EM 仿真的运行需要超过 3 个小时的时间。输入 /输出电容器和激励信号在 CST Design Studio 的内部被表示为端口，而电场结果则示于图 4。

图 2：用于 3-D EM 仿真的激励信号

图 4