基于ANSYS的PCB電磁兼容仿真案例
PCB是電子設備當中非常關鍵的部件之一，上面有著諸多元器件及芯片，電路工作狀態下會形成相應的電磁能量輻射，是不可忽視的噪聲源，對整機系統的EMC性能，有著至關重要的作用，所以，利用仿真技術來進行PCB的電磁輻射性能仿真是非常有必要的。
PCB的電磁輻射，多數情況可能會導致產品整機EMC RE認證測試當中的某些頻點不滿足標準要求，一般來說噪聲源都是由于電路板上關鍵的一些高速/高頻器件或電路，可能通過PCB直接形成的輻射，也有可能通過輻射與設備內部的IO線纜形成的耦合，如果能通過有效的途徑去分析和弱化PCB的電磁輻射能量，就有可能幫助整機產品順利通過相關RE認證測試標準。
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1/ PCB電磁敏感度仿真
電子設備暴露在復雜電磁環境之下，由于耦合外界電磁能量，造成電子系統工作異常的 現象比比皆是，電磁噪聲可能通過電源信號線纜耦合進電路，也可能通過空間輻射的方式直接與內部電路耦合，PCB是電子設備中非常關鍵的部件之一，其中信號走線與電源都可能耦合輻射能量，形成感應電壓/ 電流，從而干擾電路的正常工作，如圖1-1 所示。該案例從PCB的輻射感應電壓的角度來仿真PCB的電磁敏感度(EMS)。
圖1-1 電磁輻射干擾
1.1 仿真思路
設備系統的EMS性能涉及因素比較多，包括機殼屏蔽性能、場線耦合、系統接地、電路板設計合理性等，因素繁多且比較復雜，本案例只從PCB單板的角度分析PCB的EMS設計狀態，提出PCB的抗輻射優化方法，有利于整機系統的EMS性能提升，該案例基于ANSYS SIwave，進行關鍵PCB電路的感應電壓分析，指定外界電磁輻射能量以及輻射方向，計算關注電路節點上的感應電壓頻域輻值大小，評估干擾性能，并結合PCB的設計狀態進行優化改進，對比優化前后的輻射噪聲耦合強度，驗證設計優化的有效性。
1.2 詳細仿真流程與結果
PCB的EMS分析仿真流程圖如圖1-2 所示。
該案例將選擇PCB關鍵的電路進行PCB的感應電壓分析，并計算這些關鍵電路信。
圖1-2 仿真流程
有外界電磁波輻射的情況下，電路端口上所感應到的電壓幅值。
1. 前處理
(1) PCB導入
通過菜單Import，導入EDA設計文件，如brd、odb++等，完成建模，此案例直接采用參考的工程文件進行仿真。
(2) 疊層設置
打開工程文件V_induced.siw，通過主菜單Home→Layer Stackup Editor設置好PCB疊層數據，如圖1-3 所示。
圖1-3 疊層設置
2. 選擇信號
通過菜單Tools選擇Generate Ports on Nets，在圖1-4 窗口選中信號網絡，進行信號端口的自動建立。
3. 仿真設置
創建好端口之后，需要進行感應電壓的功能仿真，首先調整設置，通過單擊菜單Simulation→Options，進行速度與精度的調整，然后單擊Compute Induced Voltage進行仿真，設置頻率掃描范圍和照射方向(單方向照射/多方向照射)，設置電磁場電場強度，如圖1-5 所示，單擊Launch進行仿真計算。
圖1-4 選擇信號
圖1-5 仿真設置
4. 結果分析
待SIwave完成了Compute Induced Voltage的計算之后，單擊保存，在Results窗口會看到結果，用鼠標右鍵單擊結果，選擇Plot Induced Voltage at Ports，獲取在各個端口處所感應到的電壓頻譜圖，如圖1-6 所示。
圖1-6 端口上感應的電壓頻譜曲線
結果分析:根據感應電壓仿真結果曲線觀察到不同端口所感應到的電壓幅度頻域曲線，從所有結果中可以看到，感應幅度最大的端口分別是A-MII-TXCLK這個信號連接的三個器件端口處，說明這條CLK信號的layout設計方式很可能存在不合理的地方，需要進行檢測分析，如圖1-7 所示。
圖1-7 PCB原始版本
如圖1-7 所示，這條CLK信號的layout存在參考層不連續的情況，即圈內那部分的走線線段沒有臨近GND布線，而參考了VCC層的電源，這樣的設計容易形成EMI的問題，同時也容易耦合外界的電磁噪聲能量，出現EMS問題。
5. 設計優化
為了概述該信號電路的EMS性能，該案例可以直接在SIwave中進行設計更改(切換信號的走線層，將信號A-MII-TXCLK布線在BASE層的那段參考電源層的走線切換到SIG1層，使之參考GND)，如圖1-8 所示。
圖1-8 信號參考層
首先在圖1-8 中Single Ended Nets窗口選中A-MII-TXCLK信號，它會顯示黃色高亮狀態，然后layers欄只選擇顯示BASE層的信息，接著在Layout版圖中單擊A-MII-TXCLK那段走線，在Properties屬性窗口將Layer的值切換成SIG1，更改之后的PCB信號走線如圖1-9 所示。
圖1-9 信號走線分布
然后重復上述的仿真流程，查看結果對比優化效果，如圖1-10 所示。
圖1-10 輻射耦合對比優化
通過更改信號走線層設計，消除其參考層不連續的情況之后，A-MII-TXCLK信號在各個頻率點感應到的電壓幅值大小都有明顯的降低，可以說明該電路的RS性能得到更好的提升。
1.3 總結
該案例進行了PCB上關鍵信號的EMS 仿真分析，通過對整板的感應電壓分析，可以從 結果中找到存在EMS設計風險的電路，包括信號或者電源，然后檢查layout的設計狀態，進行有效的設計更改與優化之后，再次仿真對比分析，改善了PCB抗輻射能力。需要注意的是，這里的輻射強度是人為設定的，未考慮外殼的屏蔽效能，未考慮線纜耦合等因素帶來的整機系統的EMS性能，不過，單從PCB設計角度分析EMS ，可以更加有效地 、更有針對性地進行PCB的優化設計。
2/ PCB電源噪聲優化仿真
2.1 仿真思路
考慮各種板級電源噪聲耦合場景，如過孔與過孔、過孔與平面、過孔與走線。當電源層和信號走線之間有地層時噪聲耦合，優化過孔布局。
通過HFSS 3D Layout仿真噪聲耦合場景，分析其S參數中的耦合系數，通過分析近電場、近磁場、感應電流特征，確定噪聲耦合原理和解決方案。
2.2 詳細仿真流程與結果
1. 軟件與環境
本案例采用HFSS 3D Layout 2021 R2軟件完成整個仿真過程。
2. 仿真建模
使用波端口構建完整無限寬的“地”，以此消除除了電磁耦合以外的其他電磁效應，如圖2-1所示，其主要思路如下 :
（1) 信號和電源都使用波端口創建激勵，波端口與外部PEC直接連接，使得沒有其他激勵形式的寄生效應和二次場。同時要注意，波端口寬度不要超過四分之一最大頻率波長，以消除波端口諧振的風險。
（2)地平面的每個“邊”都與邊界處的PEC相連，地平面則通過PEC延伸到無窮遠處，因此可消除平面諧振、二次場、地平面上表面電流通過平面邊沿流到下表面。
3. 設置激勵
噪聲源端口激勵電壓設置為12V，敏感源端口設置為0V，這樣可不影響觀察場仿真結果 (只改端口電壓幅度)，只是用于在觀察特定場景的場特征時起作用，如圖2-2所示。
圖2-1 設置波端口
圖2-2 勵設置端口激勵
4. 結果后處理
分析信號與電源間的耦合度，結合電場和磁場特征分析噪聲耦合機理。具體流程總結如下:
對于四端口模型，S13/S31或S24/S42可用來表征耦合度/隔離度，因此分析S參數數值及其變化趨勢即可分析出信號與電源間的相對耦合度。所有電氣數據結果(S參數)都是電磁場現象導致的，因此通過觀察電/磁場現象或電磁場的電氣結果電流/電壓特征便可以分析出具體的耦合機理。
5. 仿真結果分析
(1) 電源層和信號走線之間有地層時的噪聲耦合
電源與信號同時參考同一地層，頂層是電源層，第2層是地層，第3層是信號層，第4層是地層，電源層以第2層為參考，信號層以第2層和第4層作為參考，如圖2-3所示。
其結果分別如圖2-4至圖2-6所示。
圖2-3 建模
圖2-4 電源端S11/S12
注 : 當耦合度為O時，仿真結果會出現沒有任何數據。原因是耦合度太低，無法顯示。
(2) 存在過孔，無回流
電源與信號不在同一層，但是電源與信號同時參考同一地層。具體層疊結構如圖2-7所示。
圖2-5 信號端S11/S12
圖2-6 表面電流分布
圖2-7 建模
頂層是電源層，第2層是地層，第3層是信號層，第4層是地層。
電源層以第2層為參考，信號層以第2層和第4層作為參考。
放置沒有回流的接地孔。在信號線附近放置接地過孔，由于信號和電源并不通過過孔進行傳輸，所以接地孔不作為信號和電源的回流孔，其分析結果分別如圖2-8至圖2-10所示。
(3) 放置異側回流過孔
電源線和信號線不在同一層，部分電源線與信號線同時參考同一地層。具體層疊結構描述如下。
圖2-8 電源端S11/S12
圖 2-9 信號端S11/S12
圖2-10 表面電流分布
頂層/底層是電源層，通過過孔連接，第2層是地層，第3層是信號層，第4層是地層，第11層是地層。電源層以頂層/底層為參考，信號層以第2層和第4層作為參考。如圖2-11所示，注意電源線分布在信號線兩側。
放置回流的電源孔。由于兩層電源通過過孔連接，所以電源會流過過孔，因此，電源的返回電流一定在過孔附近形成回流。其分析結果分別如圖2-12和圖2-13所示。
圖2-11 建模
圖2-12 信號與電源的耦合度
圖2-13 電場分布
(4) 放置同側回流過孔
電源線與信號線不在同一層，部分電源線與信號線同時參考同一地層。具體層疊結構如下。
頂層/底層是電源層，通過過孔連接，第2層是地層，第3層是信號層，第4層是地層，第11層是地層。電源層以頂層/底層為參考，信號層以第2層和第4層作為參考。如圖2-14所示，注意電源線在信號線的同側。
圖2-14 建模
放置回流的電源孔。由于兩層電源通過過孔連接，所以電源會流過過孔，因此，電源的返回電流一定在過孔附近形成回流。其分析結果分別如圖2-15和圖2-16所示。
圖2-15 信號與電源的耦合度
(5) 信號通過過孔穿過電源平面
信號線在頂層/底層，通過過孔連接并穿過電源銅皮，電源層在第6層，第2、4、7、9、11層為地層，電源層以第7層為參考，信號層以第2層和第11層作為參考，具體層疊結構如圖2-17所示。其分析結果分別如圖2-18和圖2-19所示。
圖2-16 電場分布
圖2-17 建模
圖2-18 耦合度
圖2-19 電場分布
(6) 信號和電源都在頂層和底層，參考層相同信號和電源在頂層/底層的同側布線，然后通過過孔分別將電源走線和信號走線連接到一起，信號過孔和電源過孔陣列距離非常近，同時第2、4、7、9、11層都為地層。具體層疊結構如圖2-20所示。其分析結果分別如圖2-21和圖2-22所示。
圖2-20 建模
圖2-21 耦合度
圖2-22 磁力線分布
6. 資源效果分析
由于只針對“問題” 區域進行仿真，可使用HFSS 3D Layout的cutoff工具，大大簡化了 仿真計算量，一般配置的計算機即可完成相關仿真。
2.3 結論
“完整” 的地平面對電場和磁場有明顯的“隔離”效果，降低了信號的路徑及其返回路徑“產生”噪聲干擾的風險。過孔與平面間的電源噪聲耦合主要耦合形式是互容，過孔附近的電場特征明顯，場特征 類似“電容器”；過孔的反焊盤設計對過孔耦合平面噪聲有較大幫助，平行板電容器的容量與平板間距成反比，與交疊平板面積成正比。過孔間的噪聲耦合中，回路的磁場特征明顯，場特征類似“變壓器”。信號的返回路徑分析對過孔間的噪聲耦合非常有益，信號返回電流“抵消”信號路徑電流上產生的磁場。因此仿真主要針對不“完整”的地平面和返回路徑不連續的結構進行分析，這大大簡化了單板噪聲干擾仿真的工作量。提取返回路徑不連續物理結構進行電磁分析，并將電磁特征轉換為電氣特征，即S參數。只要分析S參數中表征耦合的數據就可以分析出噪聲耦合的強弱。
文中案例選自《ANSYS電磁兼容仿真與場景應用案例實戰》
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