如今，由高頻多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供強(qiáng)大支持的千兆赫茲 (GHz) 處理器以GHz速度與存儲器進(jìn)行通信。在這些頻率上，組件和印刷電路板 (PCB) 寄生阻抗會(huì)產(chǎn)生與頻率有關(guān)的電壓降，而天線結(jié)構(gòu)和 PCB 諧振接著又引發(fā)電磁干擾 (EMI)、信號完整性和電源完整性 (SI/PI) 問題。在先前的一篇博文中，我仔細(xì)研究了滿足與超快速功率晶體管（比如：LMG5200 半橋 GaN 開關(guān)）的電磁兼容性的難題。在這篇博文中，我們將察看能夠在制造之前幫助確定 PCB 問題區(qū)域的高度精細(xì)復(fù)雜的軟件工具。
設(shè)計(jì)高速、混合信號 PCB 需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程人員和設(shè)備資源 － 因此，開發(fā)成本會(huì)非常高，特別是在需要對一塊電路板實(shí)施多次迭代以實(shí)現(xiàn)電磁兼容性的時(shí)候。EMI、SI 和 PI 設(shè)計(jì)問題會(huì)拖延產(chǎn)品發(fā)布，而且如果在產(chǎn)品發(fā)布之后未被發(fā)現(xiàn)，則勢必導(dǎo)致客戶退貨、產(chǎn)品召回以及消費(fèi)者信心的缺失。一家公司的盈利能力取決于其產(chǎn)品的謹(jǐn)慎分析，而且由于工作頻率不斷提高，就愈發(fā)需要了解 PCB 的電磁 (EM) 場運(yùn)行方式了。
幸運(yùn)的是，相同的高速 GHz 處理器和電路板已經(jīng)在電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了一種新的范式：非常先進(jìn)的電路仿真。正如許多人已經(jīng)知道的那樣，可以運(yùn)用電路仿真來優(yōu)化電路性能，甚至完成已知 PCB 器件的最壞情況電路分析。但是，能否對那些作為導(dǎo)致 EMI 和 SI/PI 問題發(fā)生之根源的“隱性”PCB 寄生元件進(jìn)行仿真呢？幸運(yùn)的是，如今的回答絕對是肯定的！
在過去的幾年里我一直關(guān)注著 3-D EM 求解器的進(jìn)展，并且對 Computer Simulation Technology (CST) 專門圍繞 3-D EM 分析所做的工作印象非常深刻。例如，我快速地把 LMG5200 評估板 CAD 文件作為一個(gè) OBD++ 文件植入了 CST EMC Studio，并采用一個(gè)寬帶激勵(lì)信號對 PCB 平面、印制線和組件阻抗進(jìn)行了特性分析。
在推進(jìn)任何高速電路板設(shè)計(jì)的過程中，仔細(xì)地檢查電路板走線、平面結(jié)構(gòu)、過孔和組件布局是一個(gè)基本要素。在 CST EMC Studio 中，我發(fā)現(xiàn)電源地被連接至第二層上的一個(gè)較小的分離平面（圖 1）。當(dāng)我把激勵(lì)信號施加至連續(xù)且不間斷的所示接地平面（而不是該分離平面）時(shí)，輻射發(fā)射的仿真結(jié)果有了顯著的改善。該結(jié)果與之前采用 TEM 單元測量的結(jié)果相當(dāng)?shù)匾恢拢缥以谠缦鹊囊黄┪闹姓撌龅哪菢印?/p>
圖 1：CST EMC Studio 中的層堆疊可視化
圖 1 中左側(cè)的插圖示出了輸入“電源地”是如何連接至第二層上的一個(gè)分離平面（紫色平面）的。而位于右側(cè)的插圖則示出了第三層上的接地平面（用綠色表示）。
采用 TINA-TI? 軟件進(jìn)行的 LMG5200 的 SPICE 電路仿真預(yù)測了 LMG5200 在 60W、24V 至 12V 電源轉(zhuǎn)換中的開關(guān)操作特性，并示于圖 2。該仿真可能也采用 CST Design Studio 做過。接著，將此開關(guān)波形應(yīng)用于圖 3 所示的采用 CST Design Studio 的“協(xié)同仿真”中的 3-D EM 仿真結(jié)果。然而值得注意的是，3-D EM 仿真是計(jì)算密集型的工作 － 在復(fù)雜的電路板網(wǎng)格中求解 Maxwell 方程很耗時(shí)間！當(dāng)采用一臺具有一個(gè)圖形處理單元和 8 GB 內(nèi)存的四核計(jì)算機(jī)時(shí)，3-D EM 仿真的運(yùn)行需要超過 3 個(gè)小時(shí)的時(shí)間。輸入 / 輸出電容器和激勵(lì)信號在 CST Design Studio 的內(nèi)部被表示為端口，而電場結(jié)果則示于圖 4。
圖2：用于3-D EM仿真的激勵(lì)信號
圖3：協(xié)同仿真——SPICE激勵(lì)信號應(yīng)用于3-D EM場仿真
圖4：探頭和電場在 3 米時(shí)的測量范圍
圖4中的仿真結(jié)果是對放置在 3m 探測范圍內(nèi)的電路板周圍的每個(gè)電場探頭的記錄。在特定頻率上產(chǎn)生的諧振與我在前一篇博文中提供的實(shí)測結(jié)果相當(dāng)?shù)匾恢隆姆抡娼Y(jié)果可以看到，放在某些位置的探頭具有較高的輻射級別，因而可洞察電路板上潛在的問題區(qū)域。
從功能強(qiáng)大的3-D EM 仿真器的這種基本應(yīng)用可以清楚地看到，當(dāng)試圖設(shè)計(jì)高速電源轉(zhuǎn)換器、配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 和其他高速信號/通信總線時(shí)，對 PCB 的微波性能進(jìn)行仿真是可行的，而且越來越重要。采用寬帶隙半導(dǎo)體器件（如 LMG5200）的電路板設(shè)計(jì)將不得不處理皮秒級的上升時(shí)間和超過 40V/ns 的電壓轉(zhuǎn)換速率。當(dāng)推進(jìn)符合電磁兼容性要求的解決方案時(shí)，諸如此類的電源轉(zhuǎn)換有必要對電磁場工作特性擁有更高的靈敏度。幸運(yùn)的是，3-D EM 場求解器已取得了進(jìn)步，可幫助工程師在設(shè)計(jì)階段中更早地隔離有關(guān)問題，從而節(jié)省成本并加快產(chǎn)品的上市進(jìn)程。
其他資源：獲取John Rice博文系列的第一部分和第二部分
