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提高PCB设计效率的方法——软件仿真

2012-05-10

  从根本上来说,电磁兼容在测试暗室内针对现有的模型是进行测试验证的。这些测试不但价格昂贵而且还耗费大量时间。在设计过程中应用早期的软件仿真用来减少测试的花费已经有很多方法。然而,EMC是一门复杂的学科,目前要想实现对复杂电路板完全的3D仿真是十分困难的。由于这些难点,专家们只能关注对电路板的关键区域的仿真,例如电源和接地系统或者单独的关键网络,来确定电磁场辐射(发射)和受辐射(敏感度)的原因。这些分析中获得的知识将应用于PCB电路设计者的设计原则中。
  在最新开发的仿真软件包中,用户可以从最流行的PCB布局工具中看到完整的布线设计。布线回顾功能会检查所有板层、网络或者迹线的各种各样的设计原则。软件中可以导入以下几个布线工具提供商的布线数据:Altium、Cadence、 Mentor、OrCAD和Zuken。该软件是由来自专业仿真软件公司的专家和知名的IT工业巨头联合开发的。前者提供与多种PCB布线工具的接口,而后者专注于数十年建立和验证EMC/SI规则的专家系统。多年来,公司的专家们利用灵活的测量技术研究了很多EMC设计问题,最终建立了各种有效的设计规则。依据这些规则对关键设计进行检查,其结果通过测试进行验证。最终,将不同功能结合起来形成能够识别常见的主要电磁骚扰来源的软件工具。
  这个一般用途的软件不需要EMC方面的专家,它可以让PCB板设计者检查设计是否符合EMC规则。其次,软件向布线设计人员提供了解决EM问题的详细描述和可能的方案。集成浏览器可以显示设计中违背EMC规则的精确位置。实际上,开发此软件包的主要目的就是让没有相关EMC知识背景的用户在设计中能够更早更容易地精确定位出现EMC问题的地方,从而最小化测量和重新设计的成本。
  基于规则的检查
  发射或者耦合是由某些几何规则相违背造成的。例如,考虑电流回流的路径,每一个信号都有一条信号轨迹预置好的路径,但是在电源层和接地层经常有回路出现。回路电流总是选择电阻最小的路径;同时在高频条件下,选择阻抗最低的路径。这种新软件可以确定哪条返回路径是不连续的。例如,这个路径有可能由于分离的平面而被中断。如果回路在几何位置上不能跟随信号路径,那么回路电流则会使用一条不同的路径。依赖于回路电流周围区域的大小,会出现一个天线辐射或接收干扰信号,导致EMC符合性的失败或者可能的设计故障。这个软件工具识别电源供电层中这样不连续的铜对高频来说是否由一个或者多个电容器相连结(如图1)。那些电容器会形成一条对回路电流有着低阻抗的路径,从而避免不希望的回路。

由于电容距离信号太远以至于不能连接断层而导致的EMC问题
  图1 由于电容距离信号太远以至于不能连接断层而导致的EMC问题


  另一个规则是搜索那些改变信号层和回路电流参考平面的网络。如果信号迹线仅从参考平面上方改变到下方,产生的辐射很小。在这种情况下,回路电流可以继续在同一个平面流动。如果信号层和参考平面同时改变,则回流路径必须得到保证(如图2)。在过孔附近使用电容器,必须避免产生不想要的路径和环路的回路电流。这个软件设计规则必须识别并允许在BGA下方的有孔的区域的层的改变,因为回流不会通过电容器但是会通过BGA。如果这个原则被违背了,层改变出现地方的过孔会由软件强调显示出来。

如果信号层和参考平面同时改变
  图2 如果信号层和参考平面同时改变,需要保证回流路径


  在较高的信号频率,需要减少外部层线的长度,进行线缆的最大允许的长度检查,并且违背的地方将被指出。
  另一条规则将检查隔直电容器到电源电压的连接引脚上的最大距离。因为隔直电容器的有效半径很小,不能超过连接到去耦引脚所允许的距离。否则,电容器没有作用而可被忽略。对这个规则的违背将与到各个电容的距离一起被列出来。最后一个重要的规则是迹线不能离参考平面层的边缘太近。在这种情况下,线路阻抗将改变,并可能导致信号在阻抗的不连续处产生反射。
  通过此软件包,可以检查具体的规则,通过一个错误列表引导用户,然后显示布线的关键区域。在设计阶段的初期改变元器件的位置,可以创建防止电磁兼容问题产生的布线路径,就不需要额外的屏蔽或者滤波器,从而节省宝贵的电路板空间和元件费用。
  结论
  随着电路板设计变得越来越复杂,电磁兼容规范发展得愈来越严格,在设计阶段的初期就寻求解决办法是很有必要的。软件仿真包,尤其当其与广泛使用的布线工具的有效接口的共同使用,在产品开发过程中有非常重大的意义。