模擬電磁干擾有可能嗎？

如今，由高頻多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的千兆赫處理器以千兆赫茲的速度與內(nèi)存通信。在這些頻率下，組件和印刷電路板 (PCB) 寄生阻抗會(huì)產(chǎn)生與頻率相關(guān)的電壓降、天線結(jié)構(gòu)和 PCB 諧振，進(jìn)而產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)、信號(hào)完整性和電源完整性 (SI/PI) 問(wèn)題。在上一篇文章中，我研究了使用 LMG5200 半橋 GaN 開(kāi)關(guān)等超快功率晶體管滿足電磁兼容性的挑戰(zhàn)。在這篇文章中，我們將介紹高度復(fù)雜的軟件工具，這些工具可以幫助在制造之前識(shí)別 PCB 問(wèn)題區(qū)域。

設(shè)計(jì)高速、混合信號(hào) PCB 需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程人員和設(shè)備資源——因此，開(kāi)發(fā)成本可能非常高，尤其是在需要對(duì)電路板進(jìn)行多次迭代以實(shí)現(xiàn)合規(guī)性時(shí)。EMI、SI 和 PI 設(shè)計(jì)問(wèn)題會(huì)延遲產(chǎn)品發(fā)布，如果在產(chǎn)品發(fā)布后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)導(dǎo)致客戶退貨、產(chǎn)品召回和消費(fèi)者信心喪失。公司的盈利能力取決于對(duì)其產(chǎn)品的仔細(xì)分析，并且隨著工作頻率的增加，也需要了解 PCB 的電磁 (EM) 場(chǎng)行為。

幸運(yùn)的是，同樣的高速千兆赫處理器和電路板啟用了電路設(shè)計(jì)的新范式：高度先進(jìn)的電路仿真。眾所周知，您可以使用電路仿真來(lái)優(yōu)化電路性能，甚至對(duì)已知 PCB 器件執(zhí)行最壞情況電路分析。但是，您能否模擬作為 EMI 和 SI/PI 問(wèn)題根源的“隱藏”P(pán)CB 寄生元件？幸運(yùn)的是，今天的答案絕對(duì)是肯定的！

在過(guò)去的幾年里，我一直在關(guān)注 3-D EM 求解器的進(jìn)步，我對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) (CST) 為 3-D EM 分析所做的工作印象深刻。例如，我快速將 LMG5200 評(píng)估板 CAD 文件作為 OBD++ 文件導(dǎo)入 CST EMC Studio，并使用寬帶激勵(lì)信號(hào)表征 PCB 平面、走線和組件阻抗。   

仔細(xì)檢查電路板走線、平面結(jié)構(gòu)、通孔和元件放置是推進(jìn)任何高速電路板設(shè)計(jì)的基本要素。在 CST EMC Studio 中，我發(fā)現(xiàn)電源地連接到第二層上的一個(gè)較小的分離平面（圖 1）。當(dāng)我將激勵(lì)應(yīng)用于所示的固體接地平面而不是分割平面時(shí)，模擬的輻射發(fā)射顯著改善。正如我在之前的文章中所討論的那樣，該結(jié)果與之前使用 TEM 單元測(cè)量的結(jié)果具有很好的相關(guān)性。

圖 1：CST EMC Studio 中的層堆疊可視化

圖 1 左側(cè)的插圖顯示了輸入“電源地”如何連接到第二層的分割平面（紫色平面）。右圖顯示了第 3 層的地平面（綠色）。

TINA-TI? 中 LMG5200 的 SPICE 電路仿真預(yù)測(cè)了 LMG5200 在 60W、24V 至 12V 電源轉(zhuǎn)換中的開(kāi)關(guān)行為，如圖 2 所示。該仿真也可以在 CST Design Studio 中完成。然后使用 CST Design Studio 將此開(kāi)關(guān)波形應(yīng)用于“協(xié)同仿真”中的 3-D EM 仿真結(jié)果，如圖 3 所示。但請(qǐng)注意，3-D EM 仿真是計(jì)算密集型的——在復(fù)雜的電路板網(wǎng)格中求解麥克斯韋方程需要時(shí)間！3-D EM 模擬需要 3 個(gè)多小時(shí)才能在具有圖形處理單元和 8 GB 內(nèi)存的四核計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。輸入/輸出電容和激勵(lì)信號(hào)在 CST Design Studio 中表示為端口，電場(chǎng)結(jié)果如圖 4 所示。 

圖 2：3-D EM 仿真的激勵(lì)信號(hào)

圖 3：協(xié)同仿真——SPICE 激發(fā)到 3-D EM 場(chǎng)仿真

圖 4：探頭球體和 3m 處的電場(chǎng)測(cè)量

圖 4 中的模擬結(jié)果是每個(gè) E 場(chǎng)探頭在 3 米處的探頭球體中放置在電路板周圍的記錄。特定頻率的共振與我上一篇文章的測(cè)量結(jié)果很好地相關(guān)。從結(jié)果中可以看出，某些位置的探頭具有較高的排放水平，從而可以深入了解電路板上的潛在問(wèn)題區(qū)域。 

從這個(gè)強(qiáng)大的 3-D EM 模擬器的基本應(yīng)用中可以清楚地看出，在嘗試設(shè)計(jì)高速電源轉(zhuǎn)換器、配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 和其他高速度信號(hào)/通信總線。使用像 LMG5200 這樣的寬帶隙半導(dǎo)體的電路板設(shè)計(jì)必須處理皮秒上升時(shí)間和超過(guò) 40V/ns 的電壓轉(zhuǎn)換速率。在推進(jìn)符合電磁兼容性的解決方案時(shí)，像這樣的功率轉(zhuǎn)換需要對(duì)電磁場(chǎng)行為具有更高的靈敏度。幸運(yùn)的是，3-D EM 場(chǎng)求解器已經(jīng)取得了進(jìn)步，可以幫助工程師在設(shè)計(jì)階段的早期隔離問(wèn)題，從而節(jié)省成本并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。