問題的源頭—PCB寄生原件可以進行仿真嗎？

如今，由高頻多相 DC/DC 轉換器提供強大支持的千兆赫茲 (GHz) 處理器以GHz速度與存儲器進行通信。在這些頻率上，組件和印刷電路板 (PCB) 寄生阻抗會產(chǎn)生與頻率有關的電壓降，而天線結構和 PCB 諧振接著又引發(fā)電磁干擾 (EMI)、信號完整性和電源完整性 (SI/PI) 問題。在先前的一篇博文中，我仔細研究了滿足與超快速功率晶體管（比如：LMG5200 半橋 GaN 開關）的電磁兼容性的難題。在這篇博文中，我們將察看能夠在制造之前幫助確定 PCB 問題區(qū)域的高度精細復雜的軟件工具。

設計高速、混合信號 PCB 需要經(jīng)驗豐富的工程人員和設備資源 － 因此，開發(fā)成本會非常高，特別是在需要對一塊電路板實施多次迭代以實現(xiàn)電磁兼容性的時候。EMI、SI 和 PI 設計問題會拖延產(chǎn)品發(fā)布，而且如果在產(chǎn)品發(fā)布之后未被發(fā)現(xiàn)，則勢必導致客戶退貨、產(chǎn)品召回以及消費者信心的缺失。一家公司的盈利能力取決于其產(chǎn)品的謹慎分析，而且由于工作頻率不斷提高，就愈發(fā)需要了解 PCB 的電磁 (EM) 場運行方式了。

幸運的是，相同的高速 GHz 處理器和電路板已經(jīng)在電路設計中實現(xiàn)了一種新的范式：非常先進的電路仿真。正如許多人已經(jīng)知道的那樣，可以運用電路仿真來優(yōu)化電路性能，甚至完成已知 PCB 器件的最壞情況電路分析。但是，能否對那些作為導致 EMI 和 SI/PI 問題發(fā)生之根源的“隱性”PCB 寄生元件進行仿真呢？幸運的是，如今的回答絕對是肯定的！

在過去的幾年里我一直關注著 3-D EM 求解器的進展，并且對 Computer Simulation Technology (CST) 專門圍繞 3-D EM 分析所做的工作印象非常深刻。例如，我快速地把 LMG5200 評估板 CAD 文件作為一個 OBD++ 文件植入了 CST EMC Studio，并采用一個寬帶激勵信號對 PCB 平面、印制線和組件阻抗進行了特性分析。

在推進任何高速電路板設計的過程中，仔細地檢查電路板走線、平面結構、過孔和組件布局是一個基本要素。在 CST EMC Studio 中，我發(fā)現(xiàn)電源地被連接至第二層上的一個較小的分離平面（圖 1）。當我把激勵信號施加至連續(xù)且不間斷的所示接地平面（而不是該分離平面）時，輻射發(fā)射的仿真結果有了顯著的改善。該結果與之前采用 TEM 單元測量的結果相當?shù)匾恢拢缥以谠缦鹊囊黄┪闹姓撌龅哪菢印?/p>

圖?1：CST EMC Studio?中的層堆疊可視化

圖 1 中左側的插圖示出了輸入“電源地”是如何連接至第二層上的一個分離平面（紫色平面）的。而位于右側的插圖則示出了第三層上的接地平面（用綠色表示）。

采用 TINA-TI? 軟件進行的 LMG5200 的 SPICE 電路仿真預測了 LMG5200 在 60W、24V 至 12V 電源轉換中的開關操作特性，并示于圖 2。該仿真可能也采用 CST Design Studio 做過。接著，將此開關波形應用于圖 3 所示的采用 CST Design Studio 的“協(xié)同仿真”中的 3-D EM 仿真結果。然而值得注意的是，3-D EM 仿真是計算密集型的工作 － 在復雜的電路板網(wǎng)格中求解 Maxwell 方程很耗時間！當采用一臺具有一個圖形處理單元和 8 GB 內(nèi)存的四核計算機時，3-D EM 仿真的運行需要超過 3 個小時的時間。輸入 / 輸出電容器和激勵信號在 CST Design Studio 的內(nèi)部被表示為端口，而電場結果則示于圖 4。

圖2：用于3-D EM仿真的激勵信號

圖3：協(xié)同仿真——SPICE激勵信號應用于3-D EM場仿真

圖4：探頭和電場在 3 米時的測量范圍

圖4中的仿真結果是對放置在 3m 探測范圍內(nèi)的電路板周圍的每個電場探頭的記錄。在特定頻率上產(chǎn)生的諧振與我在前一篇博文中提供的實測結果相當?shù)匾恢?。從仿真結果可以看到，放在某些位置的探頭具有較高的輻射級別，因而可洞察電路板上潛在的問題區(qū)域。

從功能強大的3-D EM 仿真器的這種基本應用可以清楚地看到，當試圖設計高速電源轉換器、配電網(wǎng)絡 (PDN) 和其他高速信號/通信總線時，對 PCB 的微波性能進行仿真是可行的，而且越來越重要。采用寬帶隙半導體器件（如 LMG5200）的電路板設計將不得不處理皮秒級的上升時間和超過 40V/ns 的電壓轉換速率。當推進符合電磁兼容性要求的解決方案時，諸如此類的電源轉換有必要對電磁場工作特性擁有更高的靈敏度。幸運的是，3-D EM 場求解器已取得了進步，可幫助工程師在設計階段中更早地隔離有關問題，從而節(jié)省成本并加快產(chǎn)品的上市進程。