基于PCB布线的电磁场仿真

王磊

（青岛理工大学琴岛学院，山东 青岛 266106）

在设计电子产品时，除了满足特定功能要求外，还必须考虑产品的电磁兼容性，这对产品的质量和性能技术指标起着非常关键的作用。电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定的功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。因此，在印制电路板的电路设计阶段就进行电磁兼容性设计是非常重要的。

1 方案论证

研究PCB电路板的电磁场分布情况，对改进产品的EMC性能具有十分重要的意义。在算法分析，方案论证阶段，经过多方调研，发现对于PCB板级的电磁场仿真的方法有多种，例如：矩量法，有限时域差分算法等。还搜集了一系列相关软件如：Zeland ie3d、Microwave office、Ansoft designer等，下面详细对各个软件的方法、原理和优缺点进行介绍：(1)Zeland ie3d：Zeland软件公司开发的软件中，IE3D是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，其仿真结果包括S、Y、Z参数，电流分布，近场分布和辐射方向图，远场分布等，应用范围主要是在微波射频电路、多层印刷电路板、平面微带天线设计的分析与设计。

(2)Apsim FDTD：Apsim FDTD 是一个采用"有限时域差分"算法的三维全波电磁场仿真器。它将二次、三次场等都准确仿真出来，比静态的二维、三维TEM方法大大地提高了精度。

(3)Microwave Office：Microwave Office 是一针对微波混合、模块以及MMIC（单片式微波/毫米波集成电路）设计的线性与非线性之完整解决方案，注重于参数的仿真。

(4)Ansoft designer：Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真，但其远场的分布效果不是很理想，没有具体的仿真分贝标志。

通过具体使用和详细分析后，IE3D可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。它利用积分的方式求解Maxwell方程组，从而解决电磁波的效应、不连续性效应、耦合效应和辐射效应问题。IE3D电磁仿真的一个优点是用户可获得被仿真结构的场和电流分布，对电路和天线设计者来说，结构的电流和场分布很有价值，可选择为电流分布建立数据文件。仿真结果还包括s-、y-、z-参数和辐射方向图，仿真分贝标志等。所以仿真后的结果更加直观，并且易于理解。

因此，本论文采用"平面和三维电磁场仿真与优化软件包——IE3D"来对EMC规则进行分析、验证。

2 PCB的EMC规则分析

本文就针对双面印制板面上信号线的走线布局、长度、电源线的布置等与电磁兼容性相关问题进行具体地仿真分析，并相应地给出具体措施。

2.1 控制EMC应采用的具体方法

(1)防止信号线在不同层间形成自环。在多层板设计中容易发生此类问题，自环将引起辐射干扰。对其进行电磁场仿真，结果如下：

图1 信号线形成自环和不形成自环的电磁场仿真图

结论：图1(b)的布线方式是符合EMC问题的，信号线不可形成自环。

(2)走线长度控制规则即短线规则，在设计时应该尽量让布线长度尽量短，以减少走线长度带来的干扰问题，特别是一些重要信号线，如时钟线，务必将其振荡器放在离器件很近的地方。

对其进行电磁场仿真，结果如下：

图2 短线原则的电磁场分布图

结论：设计时应该尽量让布线长度尽量短。

2.2 电源线设计

要注意以下几点:

(1)根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力，如图3(a)所示。

(2)值得一提的是，尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的集成块，如图3(b)、(c)。尽量不使用芯片座，选用贴片集成块，可以进一步减小去耦电容的供电回路面积，有利于实现电磁兼容。

结语

在此，希望本设计能给予正在从事产品EMC设计可靠性的工程师、对EMC问题感兴趣的朋友们提供解决此类问题的新思路与新方法。

[1]钱振宇.电磁兼容性的标准体系.电子产品世界，1999,02.

[2]Zeland Software,Inc.IE3D用户手册.发布号 9.2，2002.

[3]TDA8902J数字功放电路及抗干扰设计.自动化在线，2011，12.

[4]苏州矽科电子信息科技有限公司.印制板设计规范(第一版).2005,1.