作者：澤維爾·萊科克，達(dá)米安·盧梭

翻譯：上海安世亞太

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前言

高性能電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，包括芯片封裝電路板和機(jī)械環(huán)境，在過(guò)去的幾年里急劇增加。由于高速數(shù)字功能（HDMI2.0、USB3.1、LP/DDR4、CPU……）的日益集成，要達(dá)到EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)（電磁干擾和兼容性）已成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，可能會(huì)出現(xiàn)與射頻無(wú)線/模擬接口（WiFi、藍(lán)牙、ZigBee…）共存的問(wèn)題，從而導(dǎo)致電磁完整性問(wèn)題及帶寬緊縮。在某些情況下，解決EMI/EMC問(wèn)題需要重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品并推遲批量生產(chǎn)。 基于我們?cè)谙M(fèi)、移動(dòng)、成像和汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，本文介紹了在評(píng)估、調(diào)查和解決輻射EMI/EMC/耦合問(wèn)題的新型仿真方法開(kāi)發(fā)中遇到的挑戰(zhàn)和取得的成就。

本文第一部分介紹了可能發(fā)生的射頻干擾實(shí)例和EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)例分析，提出了Ansys電磁干擾/瞬態(tài)聯(lián)合仿真的流程和方法。強(qiáng)調(diào)了與測(cè)量的相關(guān)性的重要性，因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步評(píng)估EM電磁緩解技術(shù)。

 

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實(shí)現(xiàn)EMI / EMC標(biāo)準(zhǔn)并避免耦合問(wèn)題的復(fù)雜性

EM Co-Existence耦合簡(jiǎn)介

現(xiàn)代電子系統(tǒng)通常提供強(qiáng)大的功能集成（見(jiàn)圖1)，如高速數(shù)字鏈路(DDR、USB3.1、HDMI2.0等）和敏感模擬/RF射頻功能（WiFi 802.11或藍(lán)牙）。所有平臺(tái)功能的適當(dāng)共存必須得到確保。數(shù)字接口通常被認(rèn)為是潛在的 EMI aggressors電磁干擾源，可以與RF射頻無(wú)線系統(tǒng)同時(shí)激活。接下來(lái)的挑戰(zhàn)是確保在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，每個(gè)單路射頻無(wú)線系統(tǒng)與獨(dú)立系統(tǒng)的射頻性能水平相同。

圖1：一個(gè)帶有WiFi和其他高速接口和IP的機(jī)頂盒的示例:HDMI, DDR3…

HDMI2.0和(LP)DDR3/4標(biāo)準(zhǔn)是高密度、高速接口，這可能會(huì)產(chǎn)生許多潛在的耦合問(wèn)題。通道的共模(CM)和差模(DM)激勵(lì)（特別是差分時(shí)鐘）會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的EMI電磁干擾。 接收機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能夠處理以天線參考靈敏度所表征的非常小的信號(hào)。例如，WiFi接收器可以操作低至-82dBm或-155dBm/Hz的信號(hào)。這是IEEE對(duì)6Mbps吞吐量和20MHz帶寬[BW]的要求，以保持令人滿意的10%的 PER（分組錯(cuò)誤率）。此外，WiFi接收機(jī)系統(tǒng)可在ISM2.4GHz和5GHz頻段工作。 如果WiFi天線放置在非常接近于任意潛在的EMI電磁干擾源的位置，WiFi靈敏度可能會(huì)受到影響，而RF射頻吞吐量也可能會(huì)顯著降低。由于整個(gè)系統(tǒng)上耦合的復(fù)雜性和可能性（參見(jiàn)圖2)，對(duì)耦合問(wèn)題的研究通常是困難且耗時(shí)的。

圖2：電磁噪聲傳播與耦合的復(fù)雜性

 

EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)

消費(fèi)類電子設(shè)備或系統(tǒng)，如手機(jī)或機(jī)頂盒，必須符合EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，所有國(guó)產(chǎn)品應(yīng)遵循CISPR22“B”級(jí)建議。在修訂版5.2 2006-03[3]中，使用120KHz的分辨率帶寬(RBW)在10m處進(jìn)行1GHz以下的EMI電磁干擾測(cè)量，峰值電場(chǎng)輻射應(yīng)保持在30或37dBuV/m以下。對(duì)于電磁兼容性，則需要進(jìn)行額外的測(cè)試，包括ESD放電或檢查產(chǎn)品對(duì)傳導(dǎo)或輻射刺激的抗擾度。在北美和亞洲，EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)是不同的(例如圖3中的FCC標(biāo)準(zhǔn))，但產(chǎn)品應(yīng)在需要時(shí)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3：SOC的1GHz以上FCC電磁發(fā)射測(cè)試

為了避免重新設(shè)計(jì)和延遲量產(chǎn)，建議在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就開(kāi)始準(zhǔn)備電磁兼容和數(shù)模耦合方面的內(nèi)容。這包括考慮架構(gòu)、技術(shù)、產(chǎn)品規(guī)模和layout設(shè)計(jì)方面的所有優(yōu)化技術(shù)和實(shí)施指南。

 

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EMI瞬態(tài)聯(lián)合仿真方法

理解電磁干擾理論的重要性

在開(kāi)始使用這些工具之前，必須確保我們對(duì)所分析設(shè)備的電磁干擾理論有充分的了解。對(duì)于數(shù)字差分對(duì)，有幾種產(chǎn)生EMI電磁干擾的電流激勵(lì)和互連環(huán)路（圖4）：

圖4：具有環(huán)路幾何形狀和電流的PCB差分對(duì)

• 差分模式(DM)激勵(lì)和環(huán)路

• 共模(CM)激勵(lì)和環(huán)路

• 串?dāng)_電流和環(huán)路

一些方程有助于估計(jì)輻射電磁場(chǎng)。在一個(gè)數(shù)字接口示例中，在148.5MHz時(shí)，磁場(chǎng)為主要場(chǎng)模，并且可以使用近場(chǎng)條件下的長(zhǎng)差分導(dǎo)線的模型:

I是勵(lì)磁電流（單位：mA），S是回流距離（單位：m），D是測(cè)量距離（單位：m）。C是來(lái)自結(jié)構(gòu)下方接地層的系數(shù)（本例中為0.45）。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該方程的有效性受到限制，但仍然可以得到如圖5所示的良好近似。

圖5：估計(jì)/評(píng)估的H場(chǎng)和仿真的H場(chǎng)具有良好的相關(guān)性

在我們的案例中，科學(xué)近似有助于理解:

• 磁近場(chǎng)隨1/D2減小

• 差模輻射與差模電流成比，這是由標(biāo)準(zhǔn)限制的

• 共模輻射與共模電流成正比，共模電流本質(zhì)上由P/N驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源互連的平衡/對(duì)稱性的質(zhì)量定義

• 共模或差模輻射與回路的面積(s或h)成正比，這是由PCB/連接器技術(shù)和設(shè)計(jì)策略設(shè)置的。

 

關(guān)聯(lián)仿真方法概述

在成功比較了數(shù)字高速接口案例上的仿真和測(cè)量結(jié)果后，本文所述的方法得到了驗(yàn)證和批準(zhǔn)(圖6)。

圖6：4個(gè)差分對(duì)(3個(gè)數(shù)據(jù)通道和1個(gè)時(shí)鐘)的數(shù)字接口近場(chǎng)磁場(chǎng)圖

EMI仿真流程采用Ansys工具套件，包括:

• HFSS，三維有限元全波電磁求解器，用于結(jié)構(gòu)建模和電磁場(chǎng)計(jì)算。

• Ansys Circuit，類似SPICE的電路求解器，利用HFSS模型和真實(shí)的激勵(lì)模式進(jìn)行瞬態(tài)仿真。仿真結(jié)果在HFSS中進(jìn)行回饋，以計(jì)算最終電磁場(chǎng)。

圖7：STMicroelectronics中使用的ANSYS電磁干擾流

在上述兩種工具中進(jìn)行的時(shí)域和頻域仿真都需要再現(xiàn)真實(shí)的電磁干擾場(chǎng)。如圖7所示，Ansys EMI電磁干擾流確保了數(shù)據(jù)交換（端口級(jí)的S參數(shù)模型和頻譜）的自動(dòng)化。 該方法的發(fā)展在于找到最佳設(shè)置，以獲得預(yù)期精度內(nèi)的結(jié)果，并限制仿真時(shí)間。從這個(gè)角度來(lái)看，降低HFSS中的模型復(fù)雜性至關(guān)重要（圖8）。已開(kāi)展的調(diào)查確定了適當(dāng)?shù)那懈铋g隙規(guī)則。仿真的基本參數(shù)包括結(jié)構(gòu)周圍的包圍盒類型和尺寸、端口類型、寬帶S參數(shù)建模的掃頻、網(wǎng)格設(shè)置和收斂準(zhǔn)則。

圖8：HFSS 3D結(jié)構(gòu)仿真

HFSS S參數(shù)模型鏈接在電路環(huán)境內(nèi)部，并在原理圖中實(shí)例化（圖9）。請(qǐng)注意，默認(rèn)情況下，S參數(shù)模型會(huì)在類似SPICE的模型中自動(dòng)轉(zhuǎn)換。端口激勵(lì)由IBIS格式的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置，使用偽隨機(jī)位序列(PRBS)來(lái)再現(xiàn)真實(shí)的用例。在運(yùn)行仿真之前，原理圖應(yīng)完整，包括具有足夠精度的模型。此外，時(shí)間步長(zhǎng)和停止時(shí)間等參數(shù)是非常重要的，因?yàn)樗鼈冇糜谕ㄟ^(guò)FFT生成端口級(jí)的頻譜。分辨率帶寬(RBW)與停止時(shí)間相關(guān)聯(lián)，帶寬(BW)可受時(shí)間步長(zhǎng)限制。

圖9：HFSS模型在電路Circuit環(huán)境下的原理圖

例如，15位長(zhǎng)度的PRBS每45.32 kHz產(chǎn)生次諧波。由于在這種情況下所需的最小頻率是第一次諧波的頻率，因此時(shí)域激勵(lì)的采樣頻率必須更小。第一次諧波值的四分之一在此約束與瞬態(tài)仿真持續(xù)時(shí)間（采樣頻率=11.33kHz=>停止時(shí)間=88.33μs)之間提供了很好的折衷。

瞬態(tài)仿真后，建議使用眼圖相關(guān)性來(lái)建立設(shè)置的可信度：

圖10：在時(shí)域中，仿真（左）和測(cè)量（右）之間具有良好的相關(guān)性

下一步是將激勵(lì)回饋到HFSS，以便重新計(jì)算EMI電磁干擾場(chǎng)。如上所述，必須仔細(xì)選擇用于FFT的參數(shù)(BW、RBW、窗口……)，以匹配測(cè)量設(shè)置。EMI電磁干擾的仿真和測(cè)量主要集中在磁場(chǎng)上，而磁場(chǎng)在電磁干擾中起主導(dǎo)作用。為了避免受到外部環(huán)境（風(fēng)扇、機(jī)殼……)的影響，還考慮了近場(chǎng)條件。這意味著發(fā)射器和掃描之間的距離D小于λ /(2 π)，其中λ是最大波長(zhǎng)干擾對(duì)象是WiFi接口，帶寬為0-6Ghz， 因此λ為8mm。為了靈活性和研究目的，在結(jié)構(gòu)上方設(shè)置了2個(gè)EMI電磁干擾掃描方案，分別為D=0.15mm和D=6.5mm。

圖11：D=0.15mm近場(chǎng)磁場(chǎng)仿真（左）和測(cè)量（右）

 

EMI電磁干擾評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及后處理

在數(shù)字高速計(jì)算機(jī)上成功地比較了仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果后，驗(yàn)證了本文所述的方法。

在我們的例子中，磁場(chǎng)為主導(dǎo)。因此，為了定義質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估射頻接口干擾的風(fēng)險(xiǎn)，我們選擇磁場(chǎng)平均值作為度量：

Hav考慮了平均輻射而不是最大輻射，并在全相位掃描[0°；360°]時(shí)使用以A/m為單位的最大場(chǎng)。這個(gè)公式可以通過(guò)HFSS計(jì)算器設(shè)置。平均磁場(chǎng)的頻率掃描圖（圖12）是我們進(jìn)一步研究EM電磁優(yōu)化技術(shù)的參考:

圖12：TP1處的累積時(shí)鐘CM/DM頻譜為紅色且d=0.15mm

在我們的案例中，大約15%的H場(chǎng)來(lái)自連接器，82%來(lái)自PCB，只有3%來(lái)自封裝。然而，由于連接器位于PCB布線routing上方約5mm處，因此其對(duì)EMI的影響可能更大，這取決于RF射頻天線的放置。連接器類型，也就是表面安裝的屏蔽連接器，也起著重要的作用。

 

EMI電磁干擾優(yōu)化技術(shù)的研究

緩解EMI電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)的功能技術(shù)

如果在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)設(shè)計(jì)了函數(shù)化設(shè)計(jì)，那么該技術(shù)對(duì)產(chǎn)品成本的影響就會(huì)非常有效。SR(轉(zhuǎn)換速率Slew Rate)控制是一種為人所熟知的技術(shù)。一個(gè)SR從5%到8%的UI(單位間隔)在時(shí)鐘頻譜上平均給出3 dB的緩解。輻射磁場(chǎng)相應(yīng)減小。然而，SR控制會(huì)影響抖動(dòng)，而且由于大多數(shù)高速鏈路接口對(duì)抖動(dòng)有嚴(yán)格的要求，因此這種解決方案通常有局限性。擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)也是另一種緩解EMI電磁干擾的常用方法，這在許多高速鏈路標(biāo)準(zhǔn)中都有定義。它是通過(guò)頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，通常受到時(shí)鐘PPM容錯(cuò)和抖動(dòng)的限制。EMI電磁干擾在三次諧波上最多降低10dB，在五次諧波上最多降低15dB。

圖13：SSC的示例

數(shù)據(jù)置亂是指通過(guò)避免重復(fù)的位序列來(lái)擴(kuò)展和降低頻譜。目前有幾種方法，其中一些方法已用于標(biāo)準(zhǔn)中。對(duì)EMI電磁干擾的緩解可以高達(dá)20dB。

 

緩解電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)的物理layout技術(shù)

如前所述，共模噪聲可能是EMI電磁干擾的主要因素。共模濾波器(ECMF)由ST公司（意法半導(dǎo)體）開(kāi)發(fā)，和PCB ESD保護(hù)共同封裝在一起。ECMF的耦合電感濾除所有同相信號(hào)，讓差分信號(hào)通過(guò)。例如，ECMF04-4HSWM10將1至6GHz之間的CM噪聲降低了15dB[7]。ECMF定位是信號(hào)完整性和EMI緩解效率的關(guān)鍵。首選靠近SOC的位置（選項(xiàng)3)，如圖14、圖15和圖16所示。

圖14：ECMF的3個(gè)位置選項(xiàng)

圖15：SI模擬盤/D0/D1/D2

圖16：H近場(chǎng)模擬/仿真圖（dBm）

EMI電磁干擾的減少主要發(fā)生在來(lái)自共模噪聲的偶數(shù)諧波上（第10、16、34、36、38和40次諧波）。額外的EMI電磁干擾仿真掃描清楚地顯示，位置良好的ECMF正在阻擋共模噪聲并限制輻射。

PCB埋置布線策略和機(jī)械屏蔽也是已知的EMI電磁干擾緩解技術(shù)（圖17）。 由于消費(fèi)電路板經(jīng)常使用直通過(guò)孔，這會(huì)影響SI裕量和EMI性能，我們建議針對(duì)低成本應(yīng)用中包含有限密度高速信號(hào)的敏感過(guò)孔進(jìn)行背鉆處理。與激光鉆孔過(guò)孔相比，PCB的超額成本是有限的（10%對(duì)50%）。在埋入式布線PCB設(shè)計(jì)中，必須注意諧振問(wèn)題。這意味著應(yīng)該避免從芯片凸點(diǎn)到與敏感頻帶的λ/4匹配的主要不連續(xù)性的距離（ 例如，λ是對(duì)應(yīng)于WiFi信道頻帶的波長(zhǎng)）。

圖17：帶屏蔽層的頂層PCB布線與埋置\埋入式PCB布線的橫截面

如圖17所示，屏蔽層也通常用于消費(fèi)電子或移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用。與埋入式/埋置PCB布線類似，設(shè)計(jì)人員在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)必須非常謹(jǐn)慎。建議檢查腔體 cavity和孔徑諧振頻率。仿真和實(shí)際情況中的經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)生在錯(cuò)誤頻率上的諧振會(huì)使有屏蔽的EMI電磁干擾比沒(méi)有屏蔽的更嚴(yán)重。由于近場(chǎng)是由磁輻射主導(dǎo)的，屏蔽吸收效應(yīng)將決定整體屏蔽效率。采用1mm小孔徑銅屏蔽（10x0.6mm）進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖18和圖19所示。

圖18：D=6.5mm時(shí)，默認(rèn)DUT、屏蔽和埋地布線的平均H場(chǎng)，單位為dB（mA/m）

圖19：D=6.5mm時(shí)的H場(chǎng)（dBm）圖

對(duì)于屏蔽，除了在屏蔽層諧振頻率（2.4GHz-2.5GHz）下增益只有6dB左右，平均H場(chǎng)增益從15到20dB。對(duì)于埋入式PCB布線，增益范圍為5到15dB。理論公式和仿真之間的相關(guān)性很好。即使在共振頻率上出現(xiàn)差異，由于結(jié)構(gòu)的三維復(fù)雜性，很難預(yù)測(cè)，因此必須使用仿真工具。 

 

總結(jié)

Ansys提出的EMI/瞬態(tài)流程適用于先進(jìn)的EMI研究。與測(cè)量值和理論方程的相關(guān)性良好，這使得開(kāi)發(fā)可靠且有價(jià)值的電磁干擾仿真流程和方法成為可能。

在許多情況下，屏蔽層如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以在低成本的情況下提供出色的效率。使用ECMF進(jìn)行濾波對(duì)于偶數(shù)時(shí)鐘諧波也非常有用和有效，特別是對(duì)于高CM噪聲的實(shí)現(xiàn)。調(diào)整RF射頻接口相對(duì)于數(shù)字干擾源的位置和方向是另一種EMI電磁干擾優(yōu)化方法。對(duì)于以磁輻射為主的電磁場(chǎng)，EMI在近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)下降至遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的1/D。這意味著如果干擾源和干擾對(duì)象之間的間隔乘以2，近場(chǎng)輻射將減少12dB，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射將減少6dB。天線相對(duì)于干擾源的垂直方向也可以減少耦合。此外，建議研究函數(shù)化調(diào)整技術(shù)，盡管信號(hào)完整性規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中缺乏機(jī)制的限制，但函數(shù)化調(diào)整技術(shù)仍然非常有效。