基于PCB布線(xiàn)的電磁場(chǎng)仿真

王磊

（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東 青島 266106）

在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，除了滿(mǎn)足特定功能要求外，還必須考慮產(chǎn)品的電磁兼容性，這對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能技術(shù)指標(biāo)起著非常關(guān)鍵的作用。電磁兼容性是電子設(shè)備或系統(tǒng)的主要性能之一，電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定的功能、使系統(tǒng)效能得以充分發(fā)揮的重要保證。因此，在印制電路板的電路設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)是非常重要的。

1 方案論證

研究PCB電路板的電磁場(chǎng)分布情況，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品的EMC性能具有十分重要的意義。在算法分析，方案論證階段，經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，發(fā)現(xiàn)對(duì)于PCB板級(jí)的電磁場(chǎng)仿真的方法有多種，例如：矩量法，有限時(shí)域差分算法等。還搜集了一系列相關(guān)軟件如：Zeland ie3d、Microwave office、Ansoft designer等，下面詳細(xì)對(duì)各個(gè)軟件的方法、原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹：(1)Zeland ie3d：Zeland軟件公司開(kāi)發(fā)的軟件中，IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具，其仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)，電流分布，近場(chǎng)分布和輻射方向圖，遠(yuǎn)場(chǎng)分布等，應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)的分析與設(shè)計(jì)。

(2)Apsim FDTD：Apsim FDTD 是一個(gè)采用"有限時(shí)域差分"算法的三維全波電磁場(chǎng)仿真器。它將二次、三次場(chǎng)等都準(zhǔn)確仿真出來(lái)，比靜態(tài)的二維、三維TEM方法大大地提高了精度。

(3)Microwave Office：Microwave Office 是一針對(duì)微波混合、模塊以及MMIC（單片式微波/毫米波集成電路）設(shè)計(jì)的線(xiàn)性與非線(xiàn)性之完整解決方案，注重于參數(shù)的仿真。

(4)Ansoft designer：Ansoft公司的仿真工具能夠從三維場(chǎng)求解的角度出發(fā)，對(duì)PCB設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，但其遠(yuǎn)場(chǎng)的分布效果不是很理想，沒(méi)有具體的仿真分貝標(biāo)志。

通過(guò)具體使用和詳細(xì)分析后，IE3D可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問(wèn)題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應(yīng)、不連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)和輻射效應(yīng)問(wèn)題。IE3D電磁仿真的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用戶(hù)可獲得被仿真結(jié)構(gòu)的場(chǎng)和電流分布，對(duì)電路和天線(xiàn)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的電流和場(chǎng)分布很有價(jià)值，可選擇為電流分布建立數(shù)據(jù)文件。仿真結(jié)果還包括s-、y-、z-參數(shù)和輻射方向圖，仿真分貝標(biāo)志等。所以仿真后的結(jié)果更加直觀，并且易于理解。

因此，本論文采用"平面和三維電磁場(chǎng)仿真與優(yōu)化軟件包——IE3D"來(lái)對(duì)EMC規(guī)則進(jìn)行分析、驗(yàn)證。

2 PCB的EMC規(guī)則分析

本文就針對(duì)雙面印制板面上信號(hào)線(xiàn)的走線(xiàn)布局、長(zhǎng)度、電源線(xiàn)的布置等與電磁兼容性相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行具體地仿真分析，并相應(yīng)地給出具體措施。

2.1 控制EMC應(yīng)采用的具體方法

(1)防止信號(hào)線(xiàn)在不同層間形成自環(huán)。在多層板設(shè)計(jì)中容易發(fā)生此類(lèi)問(wèn)題，自環(huán)將引起輻射干擾。對(duì)其進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，結(jié)果如下：

圖1 信號(hào)線(xiàn)形成自環(huán)和不形成自環(huán)的電磁場(chǎng)仿真圖

結(jié)論：圖1(b)的布線(xiàn)方式是符合EMC問(wèn)題的，信號(hào)線(xiàn)不可形成自環(huán)。

(2)走線(xiàn)長(zhǎng)度控制規(guī)則即短線(xiàn)規(guī)則，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量讓布線(xiàn)長(zhǎng)度盡量短，以減少走線(xiàn)長(zhǎng)度帶來(lái)的干擾問(wèn)題，特別是一些重要信號(hào)線(xiàn)，如時(shí)鐘線(xiàn)，務(wù)必將其振蕩器放在離器件很近的地方。

對(duì)其進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，結(jié)果如下：

圖2 短線(xiàn)原則的電磁場(chǎng)分布圖

結(jié)論：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量讓布線(xiàn)長(zhǎng)度盡量短。

2.2 電源線(xiàn)設(shè)計(jì)

要注意以下幾點(diǎn):

(1)根據(jù)印制線(xiàn)路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力，如圖3(a)所示。

(2)值得一提的是，盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的集成塊，如圖3(b)、(c)。盡量不使用芯片座，選用貼片集成塊，可以進(jìn)一步減小去耦電容的供電回路面積，有利于實(shí)現(xiàn)電磁兼容。

結(jié)語(yǔ)

在此，希望本設(shè)計(jì)能給予正在從事產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)可靠性的工程師、對(duì)EMC問(wèn)題感興趣的朋友們提供解決此類(lèi)問(wèn)題的新思路與新方法。

[1]錢(qián)振宇.電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)體系.電子產(chǎn)品世界，1999,02.

[2]Zeland Software,Inc.IE3D用戶(hù)手冊(cè).發(fā)布號(hào) 9.2，2002.

[3]TDA8902J數(shù)字功放電路及抗干擾設(shè)計(jì).自動(dòng)化在線(xiàn)，2011，12.

[4]蘇州矽科電子信息科技有限公司.印制板設(shè)計(jì)規(guī)范(第一版).2005,1.