PCB電路板的電磁兼容仿真設(shè)計(jì)

隨著世界上第一個(gè)電磁兼容性規(guī)范1944年在德國(guó)誕生，電磁兼容設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)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(chǎng)輻射一般可達(dá)800 V/m,電磁輻射可達(dá)30 B/μT,對(duì)工作在此環(huán)境下的無(wú)線傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對(duì)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計(jì)。

1、PCB的抗干擾設(shè)計(jì)

1.1 硬件方面的抗電磁干擾設(shè)計(jì)

1）選擇集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小的電子器件。
2）良好的接地設(shè)計(jì)。對(duì)于工作在2 MHz一下低頻應(yīng)采取共地，即一點(diǎn)接地；對(duì)于工作在10 MHz以上的高頻應(yīng)采用分地，即多點(diǎn)接地。同時(shí)，數(shù)字地和模擬地分開，中間用磁珠連接。對(duì)傳感器信號(hào)地線采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機(jī)IO端口，應(yīng)該接地而不是接電源。
3）濾波處理。每個(gè)IC的電源端并聯(lián)一個(gè)高頻電容，減少IC對(duì)電源的影響。
4）PCB的設(shè)計(jì)：①布線時(shí)遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線路間的中心距離應(yīng)該大于或者等于3倍的線寬。隨著線間距離的增大，同時(shí)也能減少線間的耦合串?dāng)_。②按照功能布局，不同模塊接對(duì)應(yīng)的電源。③電源和地線盡量的粗，電流方向和信號(hào)線方向相同。④晶振盡量靠近單片機(jī)。⑤線路盡量使用45°折線而不是90°折線。⑥多層板設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

1）使用看門狗，MSP430中已經(jīng)集成，遂不贅述。
2）數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，在噪聲幅度較大的環(huán)境巾傳輸數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)增加一定的冗余位用于校驗(yàn)，能增加檢錯(cuò)和糾錯(cuò)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(shù)值仿真過程也就是電磁場(chǎng)問題的數(shù)值計(jì)算過程，電磁數(shù)值計(jì)算的任務(wù)是基于麥克斯韋方程組，建立逼近實(shí)際問題的連續(xù)型數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法，經(jīng)離散化處理，解出模型的數(shù)值解，再經(jīng)處理得出場(chǎng)域中任意點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)，能量，損耗分布，及其他參數(shù)。常見的計(jì)算法方法有時(shí)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(jì)算精度較高；頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計(jì)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(tǒng)分析的無(wú)縫連接環(huán)境，為了獲得S參數(shù)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(jì)算之，這樣就能通過電流密度求得S參數(shù)和輻射場(chǎng)。

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

式中：為垂直于網(wǎng)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(biāo)量電位；Zs為單個(gè)網(wǎng)格表面的電阻；J為網(wǎng)格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法（MoM）求解網(wǎng)格上的電流密度J,得到網(wǎng)格邊界線上法向方向的電流，在存儲(chǔ)網(wǎng)格邊界線方向電流分量后，網(wǎng)格內(nèi)部每個(gè)點(diǎn)的電流值可通過網(wǎng)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(shè)計(jì)、布線及輸出

PCB的設(shè)計(jì)在Prote199SE中進(jìn)行，先在Protel中繪制原理圖，再經(jīng)過錯(cuò)誤檢查后，生成網(wǎng)絡(luò)圖，然后再進(jìn)行布線。此PCB板設(shè)計(jì)為4層，底層和頂層都走信號(hào)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(hào)完整性及抗電磁干擾性。布線后的電路板如圖1所示。

圖1 布線圖

設(shè)計(jì)好PCB板后，通過輸出功能輸出DXF文件。

3.2 導(dǎo)入Ansoft Designer并生成模型

導(dǎo)入時(shí)，先在Designer中新建一個(gè)PlanarEM項(xiàng)目，這里采用的是系統(tǒng)內(nèi)置的雙面板的模板，為了生成相關(guān)印制板的實(shí)體模型，可以通過Ansoft Designer的Layout菜單中所列的ImPort file選項(xiàng)，將Protel導(dǎo)出的DXF文件導(dǎo)入到Planar EM項(xiàng)目中來，生成印制板的實(shí)體模型的各層，導(dǎo)入過程中，Protel和Ansoft Designer中設(shè)定的缺省單位要一致，先導(dǎo)入所有的層，再根據(jù)實(shí)際情況修改和調(diào)整PCB上各層的走線。PCB采用的介質(zhì)材料是FR-4,完成上述工作后，整個(gè)印制板的仿真實(shí)體模型可在Ansoft Designer中建立。如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入Ansoft后的模型

3.3 設(shè)定解析條件

1）首先設(shè)定激勵(lì)（Excitations）用選擇工具選擇需要添加激勵(lì)的邊緣，然后右鍵單擊選擇Add Port.根據(jù)電路的實(shí)際情況，這里設(shè)定Port1,Port2,Port3,Port4共4個(gè)激勵(lì)源，電流幅度分別為0.1 A、0.2 A、0.1 A、0.3 A.
2）然后設(shè)定分析條件（Analysis）右鍵單擊添加解析方案設(shè)置（Adding Solution Setup），選定初始化網(wǎng)格為頻率等于60 Hz時(shí)的固定網(wǎng)格（Fixed Mesh），并且在網(wǎng)格精煉標(biāo)簽（Mesh Refinement）中將精煉參數(shù)（Refinement Parameters）設(shè)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(fù)選中"生成表面電流"（Generate Surface Current），開始頻率為40 Hz,終止頻率為60 Hz,步長(zhǎng)2 Hz,一共10個(gè)頻率點(diǎn)。設(shè)定上面所有的條件后，還需要對(duì)設(shè)置進(jìn)行初步校驗(yàn)，校驗(yàn)完成后即可開始對(duì)PCB實(shí)體模型進(jìn)行解析。

4、仿真結(jié)果分析

4.1 原始結(jié)果分析

通過在Ansoft Designer中過對(duì)以上10個(gè)頻點(diǎn)的掃描，即可得到了PCB的電流圖和近場(chǎng)分布圖，這里以50 Hz點(diǎn)為例，分析得到的電流圖，E、H近場(chǎng)分布圖進(jìn)行分析，如圖3、4、5可見，電路中出現(xiàn)4塊場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域，分布在2個(gè)晶振及射頻發(fā)射電路區(qū)域，其中晶振區(qū)域存在著敏感元件，而這部分正好輻射強(qiáng)度較大，這對(duì)于PCB的電磁兼容來說是不合適的。

圖3 50hz電路圖

圖4 50 HzE近揚(yáng)圖

圖5 50 HzH近場(chǎng)圖

針對(duì)上述問題，我們對(duì)PCB進(jìn)行了重新布線，調(diào)整以上兩塊敏感區(qū)域中元件的位置，縮短晶振到單片機(jī)的距離，使信號(hào)盡可能快的進(jìn)入芯片，平滑彎角，盡量使電感和電容垂直放置，以減少不必要的干擾。

4.2 改進(jìn)后分析

改進(jìn)后，再次導(dǎo)入到ansoft Designer中進(jìn)行分析，得到圖6、7、8,此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，以前輻射區(qū)域較大區(qū)域變小或變形，受影響較大的晶振區(qū)域強(qiáng)度有所下降，對(duì)周圍元件的影響也相應(yīng)減弱，系統(tǒng)的抗電磁干擾能力得到提高。

圖6 改進(jìn)后50 Hz電路圖

圖7 改進(jìn)后50 Hz E近場(chǎng)圖

圖8 改進(jìn)后50 Hz H近場(chǎng)圖

5、結(jié)論

通過Ansoft Designer軟件對(duì)PCB板進(jìn)行的電磁兼容分析，根據(jù)其得出的PCB的電流圖及近場(chǎng)分布圖，分析PCB的電磁兼容性，針對(duì)結(jié)果中的電磁輻射過高區(qū)域進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，經(jīng)Ansoft Designer驗(yàn)證，重新設(shè)計(jì)后的PCB各項(xiàng)電磁兼容指數(shù)有所下降，電磁兼容性得到提高。