板级设备的电磁干扰及信号完整性研究

张兰勇，杜逸璇，郁嘉宇

(哈尔滨工程大学，自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

板级设备的电磁干扰及信号完整性研究

张兰勇，杜逸璇，郁嘉宇

(哈尔滨工程大学，自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

目前，用于各类电子设备和系统的电子器材仍然以印制电路板(PCB)为主要装配方式。电磁兼容性问题为电子电路硬件设计带来许多新的问题。本文通过对PCB常见的电磁干扰、PCB设计方法以及PCB电磁干扰抑制方法进行分析，然后在 SIWAVE 4.0电磁兼容仿真软件中对PCB电源完整性和信号完整性进行仿真，最后通过添加去耦电容的方法进行电磁兼容设计。

电磁兼容；印制电路板；电源完整性；信号完整性

0 引言

随着电子产品的高速发展，电子设备中的高频谐波所带来的电磁兼容问题愈加突出，不仅影响PCB的电磁兼容(EMC)性能，而且影响整个产品的成本[1]。在印刷电路板投入批量生产前，通过计算机仿真的方法来发现印制电路板设计的不合理之处，并加以解决，可以节约大量的时间和金钱。高频高速的趋势使电子电路硬件设计中的电磁兼容性问题尤为突出。在电路板的整体布局、芯片的选型、电路布线、各种接插件的影响、抗扰性设计、滤波设计以及地回路设计中无处不存在着电磁兼容性问题。这些问题的解决直接决定了电路功能的实现和电子设备的质量。

解决PCB设计中的电磁兼容性问题有主动减小和被动补偿两种途径，为此必须对开关电源模块电磁干扰的干扰源和传播途径进行分析[2]。通常PCB设计中存在的电磁干扰有：传导干扰、串音干扰以及辐射干扰。

传导干扰

传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(谐波干扰)到另一个电网络。例如噪音通过电源电路进入某一系统，所有使用该电源的电路就会受到影响。

串音干扰

串音干扰是一个信号线路干扰另一邻近的信号路径。它通常发生在邻近的电路和导体上，用电路和导体的互容和互感来表征[3]。例如，PCB上某一带状线上载有低电平信号，当平行布线长度超过10cm时，就会产生串音干扰。由于串音可以由电场通过互容、磁场通过互感引起，所以考虑PCB带状线上的串音问题时，最主要的问题是确定电场、磁场耦合哪个是主要的因素。

辐射干扰

辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。辐射干扰是由于空间电磁波的开关电源模块辐射而引入的干扰。PCB中的辐射干扰主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰[4]。当电磁波辐射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题。沿线引起的分布小电压源可分解为共模和差模分量。共模电流指两导线上振幅相差很小而相位相同的电流，差模电流则是两导线上振幅相等而相位相反的电流。

1 PCB的电磁兼容设计

随着PCB板的电子元器件和线路的密集度不断增加，为了提高系统的可靠性和稳定性，必须采取相应的措施，使PCB板的设计满足电磁兼容要求，提高系统的抗干扰性能。

1.1 PCB板的选取

在PCB板设计中，相近传输线上的信号之间由于电磁场的相互耦合而发生串扰[5]，因此在进行PCB的电磁兼容设计时，首先考虑PCB的尺寸，PCB尺寸过大，印制线过长，阻抗必然增加，抗噪声能力下降，成本也会增加；PCB尺寸过小，邻近传输线之间容易发生串扰，而且散热性能不好。

根据电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定开关电源模块PCB板的层数。要满足EMC的严格指标并且考虑制造成本，适当增加地平面是PCB的EMC设计最好的方法之一。对电源层而言，一般通过内电层分割能满足多种电源的需要，但若需要多种电源供电，且互相交错，则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。对信号层而言，除了考虑信号线的走线密集度外，从EMC的角度，还需要考虑电源关键信号的屏蔽或隔离，以此确定是否增加相应层数。

1.2 PCB板的PCB布局

在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。

布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整[6]，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得PCB板中的有关信息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来，同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。

1.3 PCB板的布线设计

PCB走线间的串扰是电磁干扰(EMI)传播的主要途径。串扰是指走线、导线、走线和导线、电缆末、元件及任意其它易受电磁场干扰的电子元件之间的不希望有的电磁耦合。导线间发生串扰时，一根导线上的信号会耦合到另一根信号线上，对与这根信号线连接的电路造成干扰。这种现象经常发生在平行的导线之间。在设计设备的布线时，尤其要注意对低电平模拟信号的传输，附近导线对它的串扰常常是造成系统性能下降的主要原因。

1.4 PCB板电源线和地线的设计

由于电子电路通过电源电路接到电网，所以电网的噪声可以通过电源电路干扰电子线路，在PCB电路板设计中，由电源造成的电磁兼容问题主要是电源噪声[7]。

地线的实质是信号回流源的低阻抗路径。由于地线的阻抗不为零，引起地线各点电位差的形成，从而造成电路的误动作，形成地线干扰，而地线阻抗主要是由导线的电感引起的，频率越高，阻抗越大，这也是造成电磁干扰的主要因素。因此，减少这些干扰重点在于尽可能减小地线的阻抗，对于数字电路尤为重要。

既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。

2 PCB电磁兼容分析

2.1 PCB电磁干扰抑制方法

很好地解决信号完整性问题将改善PCB板的电磁兼容性(EMC)[8]。其中非常重要的是保证PCB板有很好的接地。对复杂的设计采用一个信号层配一个地线层是十分有效的方法。此外，使电路板的最外层信号的密度最小也是减少电磁辐射的好方法。表面积层通过在普通工艺 PCB上增加薄绝缘层和用于贯穿这些层的微孔的组合来实现，电阻和电容可埋在表层下，单位面积上的走线密度会增加近一倍，因而可降低PCB的体积。PCB 面积的缩小对走线的拓扑结构有巨大的影响，这意味着缩小的电流回路，缩小的分支走线长度，而电磁辐射近似正比于电流回路的面积；同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用，这又使得连线长度下降，从而电流回路减小，提高电磁兼容特性。

为减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲，应该为集成电路芯片添加去耦电容[9]。这可以有效去除电源上的毛刺的影响并减少在印制板上的电源环路的辐射。当去耦电容直接连接在集成电路的电源管腿上而不是连接在电源层上时，其平滑毛刺的效果最好。这就是为什么有一些器件插座上带有去耦电容，而有的器件要求去耦电容距器件的距离要足够的小。任何高速和高功耗的器件应尽量放置在一起以减少电源电压瞬时过冲。

2.2 PCB电磁兼容性仿真分析

信号完整性(Signal Integrity，简称SI)是指在信号线上的信号质量[10]。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。良好的信号完整性应具有以下两个基本条件：(1)空间完整性，又称信号幅值完整性，为满足电路的最小输入高电平和最高输入低电平要求；(2)时间完整性，为满足电路的最小建立和维持时间。信号完箍性分析就是应用的是传统的传输线、电磁学等理论和算法，解决反射、振铃、地弹、串扰、电源等引起的信号污染。

Ansoft SIwave主要用于解决电源完整性与信号完整性问题[11]，采用全波有限元算法，只能进行无源的仿真分析。

以某传感器的信号采集系统的PCB板为例，在SIwave 4.0中完成PCB电磁场仿真分析。分别得到PI仿真、PCB电源完整性、信号完整性分析结果。

2.2.1 谐振仿真及其分析

在进行谐振模式分析之前，先进行一些仿真的基本设置，点击Simulation-＞Options进行仿真前设置，在Plane Void Meshing 设置栏中，选择网格剖分。在Solver 设置栏中，设置CPU的个数，如果计算机室多核此处可以选择CPU个数。Mesh Refinement 设置的是仿真考察的频率上限，一般设为自动，由系统根据后面每项仿真所设置的扫频范围来自行决定，对于某些特殊应用也可以由用户自定义。Boundary Condition To Use 设置的是边界条件，其中Open boundary 模拟PCB的电源和地平面的边沿为理想开路条件，即全反射情况；Radiation boundary 模拟PCB的电源和地平面的边沿为有损耗的辐射边界。设置好上面的各项后点击菜单Simulation-＞Compute Resonant Modes，进行仿真参数设置并进行仿真。

在进行谐振仿真前我们首先对PCB板进行Validation Check，Validation Check的结果如果有错误就进修修改知道没有错误为止。然后开始谐振分析，选择菜单“SimulationComputer Resonant Modes…”输入Minimum Frequency：1E+007以及Modes to Compute：5，点击OK，运行结束后，选择两个平面层，点击Compute，运行结束后图中可以看到这5个模式的谐振情况，以Mode 5：166.8MHz为例，谐振模式如图1所示。

图1 166.8MHz谐振模式的平面视图Fig. 1 The plane view in harmonic mode of 166.8MHz

可以看到，在板子中央的地方出现了谐振区域。两个板间的谐振是由于能量被加在两个平行板(power and ground plan)之间，因原始信号与其反射信号同相(phase add)而形成的共振腔效应。该谐振频率点的激发来自两种因素：SNN(Simultaneous Switch Noise)，或信号通过贯穿孔换层走线时。当形成是一个共振腔，在一定频率下，这些电容和电感会发生谐振现象，从而影响电源层的阻抗。随着频率的增加，电源阻抗是不断变化的，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻抗也随之明显增加。

图2 S参数曲线Fig. 2 Parameter S curve

2.2.2 目标阻抗(Z参数)分析

添加一个S端口，设置扫描频率的方式、范围及计算的点数。点击OK，仿真开始自动运行。仿真结束后，从Results中选择S-Parameters，曲线如图2所示。

基于电压峰值频率，查看这些频率点的表面电压的分布情况，把退耦电容放置于电压峰值和谷点的位置处。这就是退耦电容的选取原则。添加退耦电容就是为了降低电源平面间的阻抗。根据谐振频率点，从大厂的电容模型中，选择合适的退耦电容。在相应区域的GND1 和POWER1之间添加两个0.47nF的电容。

再次运行仿真查看结果运行谐振模式分析，发现166.8MHz的谐振点消失了。运行S参数分析，两次结果的对照如图所示，加入退耦电容之后的S参数曲线较为平缓，在166.8MHz的极点也消失了。

Z参数曲线的对照如图4所示，加入退耦电容之后，在166.8MHz处的阻抗大为降低。

一般地，同种类的电容，封装越小寄生电感与等效串联电阻越小。而一般陶瓷电容与钽电容都应归类在较高频宽的电容，其在频宽的比较是有重叠的。例如10uF钽电容的寄生电感是比10uF陶瓷电容小的。

图3 参数对照图Fig. 3 Parameter comparison chart

图4 Z参数对照图Fig. 4 Parameter Z comparison chart

3 结论

通过谐振模式分析，我们可以分析PCB板中退耦电容的作用、阻抗和谐振关系及其电压噪声测量与谐振的关系。然后通过增加退耦电容和电阻的方法来减少班子受到的谐振干扰。通过传导干扰分析和电压探针的仿真测试，可以发现在某些关键信号网络上添加激励后整个PCB 上的电场分布情况，如果实际的系统中在上述频点附近存在相关问题，则可以相应地采取措施进行改善。

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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

国家自然科学基金(51307026), 教育部博士学科点基金(20132304120015), 黑龙江省博士后科研启动金(LBH-Q14040)。

张兰勇(1983-), 男, 讲师, 博士, 主要研究方向: 电磁信号分析与处理。

张兰勇，杜逸璇，郁嘉宇．板级设备的电磁干扰及信号完整性研究[J]．新型工业化，2015，5(2)：48-53