基于Ansys的PCB板级电磁兼容

PCB作为电子系统的载体，承载着系统中的工作芯片，传输线，供电网络等关键部件，其本身的质量关系着系统的可靠性与稳定性。随着频率的升高，PCB的电磁兼容问题也越来越突出。

一方面，在PCB设计中，不连续参考面，电源抖动噪声等非理想因素都会导致电磁能量通过传导，辐射的方式散发出去，影响其他部件的正常工作，另一方面，频率的不断提升，带来的不仅是性能的提高，随之而来的还有设计难度的不断加大，以及设计裕量的不断减小，也意味着系统更加容易受到电磁能量的干扰，需要采取必要的措施对PCB电路进行保护。

总而言之，对于现代电子系统，不仅要求PCB的SI/PI达到要求，更需要对SI/PI与EMC进行协同设计，从设计的源头就对PCB板上的传导与辐射噪声就行控制和优化，以改善系统的EMC性能，同时设计必要的防护措施对PCB的敏感电路进行保护。

PCB传导噪声分析

PCB板上的各个芯片之间都需要有信号及电源走线面进行相互连接，随着频率的升高和走线数量的增加，电磁能量越来越容易在各个信号与电源平面之间传播，产生EMC传导干扰，设计者需要快速定位耦合路径及强度，以找到合适的解决办法。有下面的实际案例中，Ansys的SIwave允许用户在系统中任意地方添加端口，并评估两者之间的隔离度，以查找最有可能的耦合路径。

在确定信号的耦合路径之后，SIwave还可以和Designer协同仿真，直接添加芯片的IBIS模型，查看信号真实工作状态下的干扰情况。

Ansys的SIwave可以针对完整的系统无源结构进行快速准确的隔离度分析，方便快捷，并在此基础上，通过Desginer电路仿真平台将系统无源结构与有源芯片结合，准确分析系统中的传导噪声。

PCB辐射噪声

在整个PCB板上存在着众多的频率分量，设计中的阻抗不连续，过孔等非理想因素所导致的反射，串扰等情况，非常容易将这些电磁能量辐射到空间中，影响其他部件的正常工作。实际上这些电磁能量的辐射与设计的层叠，电源地平面形状等结构形成电磁谐振箱体息息相关，但传统的二维仿真工具，会采用的理想化的处理手段，无法考虑电源平面分割等非理想因素。

Ansys的SIwave可以帮助设计者在初期就考察PCB结构的本征谐振分布，进行合理的器件布局，从源头避免谐振的产生。

为真实评估PCB的辐射情况，Ansys的SIwave与Designer可以相互调用，进行场路协同仿真，将Designer计算出的实际工作波形自动回推到SIwave的三维结构当作真实的激励源。

通过SIwave特有的EMC近场和远场仿真功能，设计者可以非常方便的得到系统在真实工作状态下的远场辐射曲线和近场辐射分布图。

在整个PCB辐射仿真流程中，Ansys可以帮助设计者考察PCB结构的本征谐振，从源头规避谐振的产生，并在仿真时考虑非理想电源地等实际情况的影响，通过SIwave与Designer的场路协同仿真，得到PCB板在实际工作状态下的近场与远场辐射。

PCB辐射控制与优化

Ansys的仿真平台不仅可以帮助设计者得到真实的PCB辐射，还可以帮助设计者进行必要的控制与优化。在下面的实例中，设计者使用Designer与SIwave对信号的SI与辐射同时进行仿真，评估信号串联电阻对SI/EMI的影响。

从结果中，可以看到SI/EMI之间存在矛盾性，增加信号的串联电阻，虽然降低了EMI辐射，但也使得信号的上升沿变缓，导致信号的时序受到较大影响。但通过SI/EMI的联合仿真，设计者可以在二者之间取得完美平衡。

电源的噪声波动是EMI辐射的另外一个重要来源，SIwave可以帮助设计者快速提取电源地平面的交流阻抗，并查看整个电源平面的能量传播方式，为去耦电容策略提供参考。

通过SIwave的模块PI_advisor，设计者还可以将此过程完全自动化，设计者只需给PI_advisor指定优化目标，就可以根据要求对电容种类和数量等进行自动优化。

在整个PCB辐射的优化过程中，Ansys的仿真工具允许设计者进行SI/EMI、PI/EMI的协同仿真，既考虑两者之间的矛盾性，也考虑两者之间的一致性，可操作性强，仿真结果真实准确，并且能够自动进行去耦电容的优化，方便快捷。

PCB EMS仿真

PCBEMC设计中，不仅要控制PCB的对外辐射，设计者还需要对PCB进行必要的保护，以避免PCB电路因受到外界电磁能量的干扰而导致系统故障。由于EMS保护器件通常都是非线性器件，为了仿真PCB受到电磁干扰之后的影响，设计者不仅要提取精确的PCB模型，还要精确模拟EMS干扰信号和保护器件，查看干扰信号在PCB电路及三维结构中的能量分布，以此评估PCB电路的抗干扰性能。因为通常的保护电路会加重系统负载，还要进行EMS与SI的协同仿真，避免设计出的保护电路影响PCB的信号质量。

Ansys的Designer本身自带丰富的模型库，可精确模拟各种类型的干扰信号及非线性保护器件。

设计也可以使用Ansys的三维仿真工具Q3D和HFSS查看干扰信号进入PCB之后的能量分布，并在其感应路径上进行接地和隔离等处理，以避免干扰信号对芯片等重要器件的影响。

Ansys的EMS仿真能够对真实的干扰信号和保护器件进行精确建模，确保了仿真结果的可信性，并能够进行EMS/SI的协同仿真，使得设计者全面把握PCB设计中的多个关键环节，进行平衡设计，三维仿真工具的应用设计者能够考虑PCB系统的精确结构，更加有效的制定优化方案。

PCB RS仿真

Ansys SIwave软件具备PCB的RS直接仿真能力，可以仿真在任意方向和极化形式的平面波照射下，在PCB上指定位置的感应电压。这种仿真方法能够在仅仅知道干扰频段，但是具体干扰波形未知的情况，提前评估PCB上关键网络对外加电磁辐射干扰的。SIwave软件在仿真过程中充分利用PCB结构的特点，能够在提供与全波算法类似精度的同时，提升仿真速度10倍以上。

审核编辑：刘清