板級設備的電磁干擾及信號完整性研究

張蘭勇，杜逸璇，郁嘉宇

(哈爾濱工程大學，自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001)

板級設備的電磁干擾及信號完整性研究

張蘭勇，杜逸璇，郁嘉宇

(哈爾濱工程大學，自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001)

目前，用于各類電子設備和系統的電子器材仍然以印制電路板(PCB)為主要裝配方式。電磁兼容性問題為電子電路硬件設計帶來許多新的問題。本文通過對PCB常見的電磁干擾、PCB設計方法以及PCB電磁干擾抑制方法進行分析，然后在 SIWAVE 4.0電磁兼容仿真軟件中對PCB電源完整性和信號完整性進行仿真，最后通過添加去耦電容的方法進行電磁兼容設計。

電磁兼容；印制電路板；電源完整性；信號完整性

0 引言

隨著電子產品的高速發展，電子設備中的高頻諧波所帶來的電磁兼容問題愈加突出，不僅影響PCB的電磁兼容(EMC)性能，而且影響整個產品的成本[1]。在印刷電路板投入批量生產前，通過計算機仿真的方法來發現印制電路板設計的不合理之處，并加以解決，可以節約大量的時間和金錢。高頻高速的趨勢使電子電路硬件設計中的電磁兼容性問題尤為突出。在電路板的整體布局、芯片的選型、電路布線、各種接插件的影響、抗擾性設計、濾波設計以及地回路設計中無處不存在著電磁兼容性問題。這些問題的解決直接決定了電路功能的實現和電子設備的質量。

解決PCB設計中的電磁兼容性問題有主動減小和被動補償兩種途徑，為此必須對開關電源模塊電磁干擾的干擾源和傳播途徑進行分析[2]。通常PCB設計中存在的電磁干擾有：傳導干擾、串音干擾以及輻射干擾。

傳導干擾

傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(諧波干擾)到另一個電網絡。例如噪音通過電源電路進入某一系統，所有使用該電源的電路就會受到影響。

串音干擾

串音干擾是一個信號線路干擾另一鄰近的信號路徑。它通常發生在鄰近的電路和導體上，用電路和導體的互容和互感來表征[3]。例如，PCB上某一帶狀線上載有低電平信號，當平行布線長度超過10cm時，就會產生串音干擾。由于串音可以由電場通過互容、磁場通過互感引起，所以考慮PCB帶狀線上的串音問題時，最主要的問題是確定電場、磁場耦合哪個是主要的因素。

輻射干擾

輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網絡或電子設備。輻射干擾是由于空間電磁波的開關電源模塊輻射而引入的干擾。PCB中的輻射干擾主要是電纜和內部走線間的共模電流輻射干擾[4]。當電磁波輻射到傳輸線上時，將出現場到線的耦合問題。沿線引起的分布小電壓源可分解為共模和差模分量。共模電流指兩導線上振幅相差很小而相位相同的電流，差模電流則是兩導線上振幅相等而相位相反的電流。

1 PCB的電磁兼容設計

隨著PCB板的電子元器件和線路的密集度不斷增加，為了提高系統的可靠性和穩定性，必須采取相應的措施，使PCB板的設計滿足電磁兼容要求，提高系統的抗干擾性能。

1.1 PCB板的選取

在PCB板設計中，相近傳輸線上的信號之間由于電磁場的相互耦合而發生串擾[5]，因此在進行PCB的電磁兼容設計時，首先考慮PCB的尺寸，PCB尺寸過大，印制線過長，阻抗必然增加，抗噪聲能力下降，成本也會增加；PCB尺寸過小，鄰近傳輸線之間容易發生串擾，而且散熱性能不好。

根據電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數量、周邊要素、成本價格等方面的綜合因素來確定開關電源模塊PCB板的層數。要滿足EMC的嚴格指標并且考慮制造成本，適當增加地平面是PCB的EMC設計最好的方法之一。對電源層而言，一般通過內電層分割能滿足多種電源的需要，但若需要多種電源供電，且互相交錯，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言，除了考慮信號線的走線密集度外，從EMC的角度，還需要考慮電源關鍵信號的屏蔽或隔離，以此確定是否增加相應層數。

1.2 PCB板的PCB布局

在設計中，布局是一個重要的環節。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是PCB設計成功的第一步。

布局的方式分兩種，一種是交互式布局，另一種是自動布局，一般是在自動布局的基礎上用交互式布局進行調整[6]，在布局時還可根據走線的情況對門電路進行再分配，將兩個門電路進行交換，使其成為便于布線的最佳布局。在布局完成后，還可對設計文件及有關信息進行返回標注于原理圖，使得PCB板中的有關信息與原理圖相一致，以便在今后的建檔、更改設計能同步起來，同時對模擬的有關信息進行更新，使得能對電路的電氣性能及功能進行板級驗證。

1.3 PCB板的布線設計

PCB走線間的串擾是電磁干擾(EMI)傳播的主要途徑。串擾是指走線、導線、走線和導線、電纜末、元件及任意其它易受電磁場干擾的電子元件之間的不希望有的電磁耦合。導線間發生串擾時，一根導線上的信號會耦合到另一根信號線上，對與這根信號線連接的電路造成干擾。這種現象經常發生在平行的導線之間。在設計設備的布線時，尤其要注意對低電平模擬信號的傳輸，附近導線對它的串擾常常是造成系統性能下降的主要原因。

1.4 PCB板電源線和地線的設計

由于電子電路通過電源電路接到電網，所以電網的噪聲可以通過電源電路干擾電子線路，在PCB電路板設計中，由電源造成的電磁兼容問題主要是電源噪聲[7]。

地線的實質是信號回流源的低阻抗路徑。由于地線的阻抗不為零，引起地線各點電位差的形成，從而造成電路的誤動作，形成地線干擾，而地線阻抗主要是由導線的電感引起的，頻率越高，阻抗越大，這也是造成電磁干擾的主要因素。因此，減少這些干擾重點在于盡可能減小地線的阻抗，對于數字電路尤為重要。

既使在整個PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產品的性能下降，有時甚至影響到產品的成功率。所以對電、地線的布線要認真對待，把電、地線所產生的噪音干擾降到最低限度，以保證產品的質量。

2 PCB電磁兼容分析

2.1 PCB電磁干擾抑制方法

很好地解決信號完整性問題將改善PCB板的電磁兼容性(EMC)[8]。其中非常重要的是保證PCB板有很好的接地。對復雜的設計采用一個信號層配一個地線層是十分有效的方法。此外，使電路板的最外層信號的密度最小也是減少電磁輻射的好方法。表面積層通過在普通工藝 PCB上增加薄絕緣層和用于貫穿這些層的微孔的組合來實現，電阻和電容可埋在表層下，單位面積上的走線密度會增加近一倍，因而可降低PCB的體積。PCB 面積的縮小對走線的拓撲結構有巨大的影響，這意味著縮小的電流回路，縮小的分支走線長度，而電磁輻射近似正比于電流回路的面積；同時小體積特征意味著高密度引腳封裝器件可以被使用，這又使得連線長度下降，從而電流回路減小，提高電磁兼容特性。

為減小集成電路芯片電源上的電壓瞬時過沖，應該為集成電路芯片添加去耦電容[9]。這可以有效去除電源上的毛刺的影響并減少在印制板上的電源環路的輻射。當去耦電容直接連接在集成電路的電源管腿上而不是連接在電源層上時，其平滑毛刺的效果最好。這就是為什么有一些器件插座上帶有去耦電容，而有的器件要求去耦電容距器件的距離要足夠的小。任何高速和高功耗的器件應盡量放置在一起以減少電源電壓瞬時過沖。

2.2 PCB電磁兼容性仿真分析

信號完整性(Signal Integrity，簡稱SI)是指在信號線上的信號質量[10]。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振鈴、地彈、串擾等。良好的信號完整性應具有以下兩個基本條件：(1)空間完整性，又稱信號幅值完整性，為滿足電路的最小輸入高電平和最高輸入低電平要求；(2)時間完整性，為滿足電路的最小建立和維持時間。信號完箍性分析就是應用的是傳統的傳輸線、電磁學等理論和算法，解決反射、振鈴、地彈、串擾、電源等引起的信號污染。

Ansoft SIwave主要用于解決電源完整性與信號完整性問題[11]，采用全波有限元算法，只能進行無源的仿真分析。

以某傳感器的信號采集系統的PCB板為例，在SIwave 4.0中完成PCB電磁場仿真分析。分別得到PI仿真、PCB電源完整性、信號完整性分析結果。

2.2.1 諧振仿真及其分析

在進行諧振模式分析之前，先進行一些仿真的基本設置，點擊Simulation-＞Options進行仿真前設置，在Plane Void Meshing 設置欄中，選擇網格剖分。在Solver 設置欄中，設置CPU的個數，如果計算機室多核此處可以選擇CPU個數。Mesh Refinement 設置的是仿真考察的頻率上限，一般設為自動，由系統根據后面每項仿真所設置的掃頻范圍來自行決定，對于某些特殊應用也可以由用戶自定義。Boundary Condition To Use 設置的是邊界條件，其中Open boundary 模擬PCB的電源和地平面的邊沿為理想開路條件，即全反射情況；Radiation boundary 模擬PCB的電源和地平面的邊沿為有損耗的輻射邊界。設置好上面的各項后點擊菜單Simulation-＞Compute Resonant Modes，進行仿真參數設置并進行仿真。

在進行諧振仿真前我們首先對PCB板進行Validation Check，Validation Check的結果如果有錯誤就進修修改知道沒有錯誤為止。然后開始諧振分析，選擇菜單“SimulationComputer Resonant Modes…”輸入Minimum Frequency：1E+007以及Modes to Compute：5，點擊OK，運行結束后，選擇兩個平面層，點擊Compute，運行結束后圖中可以看到這5個模式的諧振情況，以Mode 5：166.8MHz為例，諧振模式如圖1所示。

圖1 166.8MHz諧振模式的平面視圖Fig. 1 The plane view in harmonic mode of 166.8MHz

可以看到，在板子中央的地方出現了諧振區域。兩個板間的諧振是由于能量被加在兩個平行板(power and ground plan)之間，因原始信號與其反射信號同相(phase add)而形成的共振腔效應。該諧振頻率點的激發來自兩種因素：SNN(Simultaneous Switch Noise)，或信號通過貫穿孔換層走線時。當形成是一個共振腔，在一定頻率下，這些電容和電感會發生諧振現象，從而影響電源層的阻抗。隨著頻率的增加，電源阻抗是不斷變化的，尤其是在并聯諧振效應顯著的時候，電源阻抗也隨之明顯增加。

圖2 S參數曲線Fig. 2 Parameter S curve

2.2.2 目標阻抗(Z參數)分析

添加一個S端口，設置掃描頻率的方式、范圍及計算的點數。點擊OK，仿真開始自動運行。仿真結束后，從Results中選擇S-Parameters，曲線如圖2所示。

基于電壓峰值頻率，查看這些頻率點的表面電壓的分布情況，把退耦電容放置于電壓峰值和谷點的位置處。這就是退耦電容的選取原則。添加退耦電容就是為了降低電源平面間的阻抗。根據諧振頻率點，從大廠的電容模型中，選擇合適的退耦電容。在相應區域的GND1 和POWER1之間添加兩個0.47nF的電容。

再次運行仿真查看結果運行諧振模式分析，發現166.8MHz的諧振點消失了。運行S參數分析，兩次結果的對照如圖所示，加入退耦電容之后的S參數曲線較為平緩，在166.8MHz的極點也消失了。

Z參數曲線的對照如圖4所示，加入退耦電容之后，在166.8MHz處的阻抗大為降低。

一般地，同種類的電容，封裝越小寄生電感與等效串聯電阻越小。而一般陶瓷電容與鉭電容都應歸類在較高頻寬的電容，其在頻寬的比較是有重疊的。例如10uF鉭電容的寄生電感是比10uF陶瓷電容小的。

圖3 參數對照圖Fig. 3 Parameter comparison chart

圖4 Z參數對照圖Fig. 4 Parameter Z comparison chart

3 結論

通過諧振模式分析，我們可以分析PCB板中退耦電容的作用、阻抗和諧振關系及其電壓噪聲測量與諧振的關系。然后通過增加退耦電容和電阻的方法來減少班子受到的諧振干擾。通過傳導干擾分析和電壓探針的仿真測試，可以發現在某些關鍵信號網絡上添加激勵后整個PCB 上的電場分布情況，如果實際的系統中在上述頻點附近存在相關問題，則可以相應地采取措施進行改善。

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Research on PCB Signal Integrity and Electromagnetic Interference

ZHANG Lanyong, DU Yixuan, YU Jiayu
(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

At present, PCB (printed circuit board) is still the main assemble way for the electronic equipments of various electronic devices and systems. EMC (electro magnetic compatibility) brings many new problems for the hardware design of electronic circuit. In this paper, the author analyses the usual PCB electromagnetic interference, the methods of PCB design and PCB electromagnetic interference suppression. Then the integrity of power and signal to EMC simulation software is simulated in SIWAVE 4.0 EMC simulation software. Finally, the EMC design is implemented by adding decoupling capacitor.

electro magnetic compatibility; printed circuit board; power integrity; signal integrity

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.09

國家自然科學基金(51307026), 教育部博士學科點基金(20132304120015), 黑龍江省博士后科研啟動金(LBH-Q14040)。

張蘭勇(1983-), 男, 講師, 博士, 主要研究方向: 電磁信號分析與處理。

張蘭勇，杜逸璇，郁嘉宇．板級設備的電磁干擾及信號完整性研究[J]．新型工業化，2015，5(2)：48-53