中心議題：

• 印製板信號分析

解決方案：

• 信號完整性（SI）分析
• 電源完整性（PI）分析
• 電磁輻射（EMI）分析

印製電路板（PCB：PrintedCircuitBoard）目前已廣泛應用於電子產品中。隨著電子技術的飛速發展

，芯片的頻率越來越高
，PCB
，特別是高速PCB麵臨著各種電磁兼容問題。傳統的基於路的分析方法已經不能準確地描述PCB上各走線的傳輸特性
，因此需要采用基於電磁場的分析方法充分考慮PCB上各分布式參數來分析PCB的電磁兼容問題。

CST是目前全球最大的純電磁場仿真軟件公司。其產品廣泛應用於通信、國防、自動化、電子和醫療設備等領域。2007年CST收購並絕對控股了德國Simlab公司，將其下整個團隊和軟件全麵納入CST的管理和軟件開發計劃之中
，同時在原有PCBMod軟件基礎上開發全新算法和功能

，並更名為CST印製板工作室（CSTPCBSTUDIOTM）。通過把EMC仿真工作集成到整個產品的開發流程中去，可以幫助設計者大幅降低所設計產品通不過EMC測試的風險。這樣既可以幫助設計者提升對電磁現象的理解同時還可以幫助設計者有效的判斷哪種電磁設計可以提升產品的性能水平。

CST印製板工作室相比業內其他軟件最大的優勢就是
，它不隻能解決印製板自身的電磁兼容問題，如過孔導線器件之間EMC

，基於CST設計環境（CSTDESIGNENVIRONMENT）其他工作室的協同仿真，CST印製板工作室還能解決印製板對外的電磁輻射和加載外部器件情況下的電磁兼容問題
，如與CST微波工作室（CSTMICROWAVESTUDIO?）協(xie)同(tong)仿(fang)真(zhen)印(yin)製(zhi)板(ban)加(jia)載(zai)在(zai)機(ji)箱(xiang)中(zhong)對(dui)周(zhou)圍(wei)器(qi)件(jian)和(he)外(wai)部(bu)的(de)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)
，加(jia)載(zai)外(wai)部(bu)設(she)備(bei)和(he)上(shang)層(ceng)建(jian)築(zhu)後(hou)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)等(deng)等(deng)


，工(gong)作(zuo)室(shi)之(zhi)間(jian)完(wan)全(quan)無(wu)縫(feng)連(lian)接(jie)，統(tong)一(yi)在(zai)CST設計環境下協同仿真，實現了印製板內外係統的電磁仿真。

目前PCB的電磁兼容性問題大致可以分為三類：信號完整性（SI）
、電源完整性（PI）和電磁輻射（EMI）。

印製板信號完整性SI

對於印製板整板或某些網絡走線間的網絡傳遞函數是描述印製板上信號線信號完整性以及信號線間串擾度的定量表征。CST印製板工作室采用2D邊界元法（BEM）和2.5D部分元等效電路（PEEC）提取PCBLayout的分布式參數，並采用基於SPICE模型的仿真器對印製板進行信號完整性仿真。圖1suoshideshiyiyinzhidianlubanshangdeliangtiaozouxian。zheliangtiaozouxianwulishangmeiyouxianglian，dangzouxianshangchuanshuxinhaopinlvbijiaodishi
，keyiyongjierhuofudinglvjinxingfenxi
，jizheliangtiaozouxianshihubuxiangguande。danshizuobianzouxiande2號端口與右邊走線的3haoduankoujianjubijiaojin
，dangzheliangtiaozouxianshangdexinhaopinlvbuduanshangshengshi，tamenzhijianfenbushidianronghuidaozhiyuanbenbuxianglianzouxianshangdegaopinxinhaochuanraodaolingyitiaozouxianshang。

圖1PCB模型

CST印製板工作室采用的部分元等效電路是基於積分形式的Maxwell方程，對PCBjiegouwanggehuachenghenxiaodedianqidanyuan，yongdengxiaodianlufenbiejisuangedanyuanjiandeouheguanxi，congershengchengdengxiaodianlujuzhen

，shidiancichangdeqiujiezhuanhuachengxiangyingdedengzhidianlufangchengdeqiujie
，shiyizhongyouxiaodedianlucanshujianmohecanshutiqufangfa。rutu2所示的PEEC網格中，紅色部分表示電阻和自感
，藍色部分表示的電容和互感。


圖2PCB網格

提取完模型參數後即可利用CST印製板工作室的S參量仿真器進行廣義S參量的仿真。如圖3所示：

圖3S參量結果

采用CSTyinzhibangongzuoshideshiyushuntaifangzhenqi，bingjieheruanjianzidaideyantushuruxinhao
，jikejinxingyantudefangzhen。fangzhendedaozouxianlingyiduandejieshouxinhaoyijilinjinzouxianshangdechuanraoxinhao。rutu4所示：


圖4眼圖輸入

、輸出及串擾信號

除了CST印製板工作室，CST微波工作室也可以進行印製板的信號完整性分析。CST微波工作室是通用的高頻無源仿真軟件
，集時域和頻域算法為一體包含七種全波算法：時域有限積分、頻域有限積分、頻域有限元、模式降階法、矩量法、多層快速多極子和本征模法。圖5給出了CST仿真IBM複雜PCB並進行信號完整性分析的考題，仿真得到的電壓延時與實測隻差0.002ns。[page]


圖5IBM考題實物模型

圖6仿真結果

印製板的電源完整性PI

實際情況下電源回路的阻抗不是恒定的，而是頻率的某一函數。CSTyinzhibangongzuoshikeyifangzhenyouyuyinzhibanjiangefenbushicanshudaozhidedianyuanhuiluzukangzaigepindaishangtexing
，bingkeyibangzhushejizhefaxiangaozupinduan，tongguogaibianbuxianhuotianjiapangludianrongdengfangfagaishanyinzhibandedianyuanwanzhengxing。

在實際的工程應用中，為了保證電源完整性
，通常對電源回路的阻抗特性有一定要求。如圖7所示為一印製板的數字電源部分。對於該印製板
，工程上對輸入阻抗的要求如圖8所示。


圖7PCB電源層

圖8輸入阻抗特性要求

用CST印製板工作室對該PCB生成網格後
，建立如圖9所示的電路以仿真裸板情況下的輸入阻抗特性。該電路中在原本加電容的位置用100MΩ代替以模擬開路情況下的阻抗。


圖9裸板時的仿真電路

圖10裸板時的輸入阻抗特性曲線

顯然圖10顯(xian)示(shi)的(de)裸(luo)板(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)在(zai)低(di)頻(pin)時(shi)不(bu)滿(man)足(zu)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)特(te)性(xing)要(yao)求(qiu)
，在(zai)高(gao)頻(pin)時(shi)也(ye)有(you)部(bu)分(fen)頻(pin)段(duan)超(chao)標(biao)。要(yao)改(gai)善(shan)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)話(hua)可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)添(tian)加(jia)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)，在(zai)仿(fang)真(zhen)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)容(rong)位(wei)置(zhi)加(jia)上(shang)容(rong)值(zhi)為(wei)10nF的電容，同時為了更加準確地模型實際的電容的特性，需要考慮電容自身的寄生電感和電阻。這裏，將電容的寄生電感值設為1nH，電阻值設為0.01Ω。其仿真電路如圖11所示。


圖11仿真電路

圖12輸入阻抗特性曲線[page]

從圖12所示的輸入阻抗特性曲線可以看出：在(zai)加(jia)入(ru)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)之(zhi)後(hou)，在(zai)低(di)頻(pin)段(duan)
，電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)特(te)性(xing)已(yi)經(jing)有(you)了(le)很(hen)大(da)的(de)改(gai)善(shan)，但(dan)是(shi)在(zai)高(gao)頻(pin)時(shi)仍(reng)有(you)一(yi)些(xie)頻(pin)段(duan)超(chao)標(biao)。從(cong)阻(zu)抗(kang)特(te)性(xing)上(shang)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)在(zai)高(gao)頻(pin)段(duan)，阻(zu)抗(kang)已(yi)經(jing)呈(cheng)現(xian)電(dian)感(gan)的(de)特(te)性(xing)
，因(yin)此(ci)高(gao)頻(pin)段(duan)的(de)超(chao)標(biao)極(ji)有(you)可(ke)能(neng)是(shi)由(you)於(yu)電(dian)容(rong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)的(de)造(zao)成(cheng)的(de)。為(wei)此(ci)可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)選(xuan)用(yong)質(zhi)量(liang)更(geng)好(hao)的(de)電(dian)容(rong)。這(zhe)裏(li)，選(xuan)用(yong)的(de)電(dian)容(rong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)為(wei)25pH，仿真電路如圖13所示。


圖13仿真電路

圖14輸入阻抗特性曲線

從圖14所示的輸入阻抗特性曲線中可以看到：選用寄生電感比較小的電容可以有效地抑製輸入阻抗的高頻段特性。從而保證在所要求的頻段上輸入阻抗均滿足要求。

隨著當今集成電路對供電穩定性的要求，印製板設計工程師需要關注於低電壓、低翻轉門限與大電流
、多層長線供電所造成的壓降。利用CST電磁工作室的穩恒電流求解器可以仿真整個PCB的電壓分布
，如圖15所示：

圖15IR-Drop分析

印製板電磁輻射EMI

對於電子產品的電磁輻射，國際電工委（IEC：InternationalElectrotechnicalCommission）製(zhi)定(ding)了(le)強(qiang)製(zhi)標(biao)準(zhun)。通(tong)常(chang)，印(yin)製(zhi)板(ban)都(dou)隻(zhi)是(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)，在(zai)進(jin)行(xing)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)分(fen)析(xi)的(de)時(shi)候(hou)除(chu)了(le)要(yao)考(kao)慮(lv)印(yin)製(zhi)板(ban)本(ben)身(shen)的(de)輻(fu)射(she)問(wen)題(ti)外(wai)，還(hai)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)係(xi)統(tong)中(zhong)其(qi)它(ta)設(she)備(bei)對(dui)對(dui)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)的(de)影(ying)響(xiang)，尤(you)其(qi)是(shi)帶(dai)有(you)通(tong)風(feng)孔(kong)機(ji)箱(xiang)的(de)屏(ping)蔽(bi)效(xiao)能(neng)。CST印製板工作室在進行SI仿真的同時，可以得到印製板上電流分布的幅度和相位信息

，並通過與CST微波工作室的協同將該電流分布作為激勵源，然後再加上機箱，充分考慮孔、縫對電磁輻射的影響。仿真的結果自動與內嵌的EMC國際標準限值進行對比，如圖16所示。




圖16電磁輻射的協同仿真

因此利用CST仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)，根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)，選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)工(gong)作(zuo)室(shi)和(he)求(qiu)解(jie)算(suan)法(fa)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)對(dui)印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。同(tong)時(shi)利(li)用(yong)軟(ruan)件(jian)強(qiang)大(da)的(de)圖(tu)像(xiang)顯(xian)示(shi)功(gong)能(neng)
，直(zhi)觀(guan)地(di)反(fan)映(ying)電(dian)磁(ci)場(chang)的(de)空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)

，從(cong)而(er)幫(bang)助(zhu)印(yin)製(zhi)板(ban)工(gong)程(cheng)師(shi)準(zhun)確(que)定(ding)位(wei)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)的(de)區(qu)域(yu)
，在(zai)產(chan)品(pin)的(de)研(yan)發(fa)階(jie)段(duan)及(ji)早(zao)發(fa)現(xian)並(bing)解(jie)決(jue)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)。