基于ANSYS的PCB电磁兼容仿真案例
PCB是电子设备当中非常关键的部件之一，上面有着诸多元器件及芯片，电路工作状态下会形成相应的电磁能量辐射，是不可忽视的噪声源，对整机系统的EMC性能，有着至关重要的作用，所以，利用仿真技术来进行PCB的电磁辐射性能仿真是非常有必要的。
PCB的电磁辐射，多数情况可能会导致产品整机EMC RE认证测试当中的某些频点不满足标准要求，一般来说噪声源都是由于电路板上关键的一些高速/高频器件或电路，可能通过PCB直接形成的辐射，也有可能通过辐射与设备内部的IO线缆形成的耦合，如果能通过有效的途径去分析和弱化PCB的电磁辐射能量，就有可能帮助整机产品顺利通过相关RE认证测试标准。
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1/ PCB电磁敏感度仿真
电子设备暴露在复杂电磁环境之下，由于耦合外界电磁能量，造成电子系统工作异常的 现象比比皆是，电磁噪声可能通过电源信号线缆耦合进电路，也可能通过空间辐射的方式直接与内部电路耦合，PCB是电子设备中非常关键的部件之一，其中信号走线与电源都可能耦合辐射能量，形成感应电压/ 电流，从而干扰电路的正常工作，如图1-1 所示。该案例从PCB的辐射感应电压的角度来仿真PCB的电磁敏感度(EMS)。
图1-1 电磁辐射干扰
1.1 仿真思路
设备系统的EMS性能涉及因素比较多，包括机壳屏蔽性能、场线耦合、系统接地、电路板设计合理性等，因素繁多且比较复杂，本案例只从PCB单板的角度分析PCB的EMS设计状态，提出PCB的抗辐射优化方法，有利于整机系统的EMS性能提升，该案例基于ANSYS SIwave，进行关键PCB电路的感应电压分析，指定外界电磁辐射能量以及辐射方向，计算关注电路节点上的感应电压频域辐值大小，评估干扰性能，并结合PCB的设计状态进行优化改进，对比优化前后的辐射噪声耦合强度，验证设计优化的有效性。
1.2 详细仿真流程与结果
PCB的EMS分析仿真流程图如图1-2 所示。
该案例将选择PCB关键的电路进行PCB的感应电压分析，并计算这些关键电路信。
图1-2 仿真流程
有外界电磁波辐射的情况下，电路端口上所感应到的电压幅值。
1. 前处理
(1) PCB导入
通过菜单Import，导入EDA设计文件，如brd、odb++等，完成建模，此案例直接采用参考的工程文件进行仿真。
(2) 叠层设置
打开工程文件V_induced.siw，通过主菜单Home→Layer Stackup Editor设置好PCB叠层数据，如图1-3 所示。
图1-3 叠层设置
2. 选择信号
通过菜单Tools选择Generate Ports on Nets，在图1-4 窗口选中信号网络，进行信号端口的自动建立。
3. 仿真设置
创建好端口之后，需要进行感应电压的功能仿真，首先调整设置，通过单击菜单Simulation→Options，进行速度与精度的调整，然后单击Compute Induced Voltage进行仿真，设置频率扫描范围和照射方向(单方向照射/多方向照射)，设置电磁场电场强度，如图1-5 所示，单击Launch进行仿真计算。
图1-4 选择信号
图1-5 仿真设置
4. 结果分析
待SIwave完成了Compute Induced Voltage的计算之后，单击保存，在Results窗口会看到结果，用鼠标右键单击结果，选择Plot Induced Voltage at Ports，获取在各个端口处所感应到的电压频谱图，如图1-6 所示。
图1-6 端口上感应的电压频谱曲线
结果分析:根据感应电压仿真结果曲线观察到不同端口所感应到的电压幅度频域曲线，从所有结果中可以看到，感应幅度最大的端口分别是A-MII-TXCLK这个信号连接的三个器件端口处，说明这条CLK信号的layout设计方式很可能存在不合理的地方，需要进行检测分析，如图1-7 所示。
图1-7 PCB原始版本
如图1-7 所示，这条CLK信号的layout存在参考层不连续的情况，即圈内那部分的走线线段没有临近GND布线，而参考了VCC层的电源，这样的设计容易形成EMI的问题，同时也容易耦合外界的电磁噪声能量，出现EMS问题。
5. 设计优化
为了概述该信号电路的EMS性能，该案例可以直接在SIwave中进行设计更改(切换信号的走线层，将信号A-MII-TXCLK布线在BASE层的那段参考电源层的走线切换到SIG1层，使之参考GND)，如图1-8 所示。
图1-8 信号参考层
首先在图1-8 中Single Ended Nets窗口选中A-MII-TXCLK信号，它会显示黄色高亮状态，然后layers栏只选择显示BASE层的信息，接着在Layout版图中单击A-MII-TXCLK那段走线，在Properties属性窗口将Layer的值切换成SIG1，更改之后的PCB信号走线如图1-9 所示。
图1-9 信号走线分布
然后重复上述的仿真流程，查看结果对比优化效果，如图1-10 所示。
图1-10 辐射耦合对比优化
通过更改信号走线层设计，消除其参考层不连续的情况之后，A-MII-TXCLK信号在各个频率点感应到的电压幅值大小都有明显的降低，可以说明该电路的RS性能得到更好的提升。
1.3 总结
该案例进行了PCB上关键信号的EMS 仿真分析，通过对整板的感应电压分析，可以从 结果中找到存在EMS设计风险的电路，包括信号或者电源，然后检查layout的设计状态，进行有效的设计更改与优化之后，再次仿真对比分析，改善了PCB抗辐射能力。需要注意的是，这里的辐射强度是人为设定的，未考虑外壳的屏蔽效能，未考虑线缆耦合等因素带来的整机系统的EMS性能，不过，单从PCB设计角度分析EMS ，可以更加有效地 、更有针对性地进行PCB的优化设计。
2/ PCB电源噪声优化仿真
2.1 仿真思路
考虑各种板级电源噪声耦合场景，如过孔与过孔、过孔与平面、过孔与走线。当电源层和信号走线之间有地层时噪声耦合，优化过孔布局。
通过HFSS 3D Layout仿真噪声耦合场景，分析其S参数中的耦合系数，通过分析近电场、近磁场、感应电流特征，确定噪声耦合原理和解决方案。
2.2 详细仿真流程与结果
1. 软件与环境
本案例采用HFSS 3D Layout 2021 R2软件完成整个仿真过程。
2. 仿真建模
使用波端口构建完整无限宽的“地”，以此消除除了电磁耦合以外的其他电磁效应，如图2-1所示，其主要思路如下 :
（1) 信号和电源都使用波端口创建激励，波端口与外部PEC直接连接，使得没有其他激励形式的寄生效应和二次场。同时要注意，波端口宽度不要超过四分之一最大频率波长，以消除波端口谐振的风险。
（2)地平面的每个“边”都与边界处的PEC相连，地平面则通过PEC延伸到无穷远处，因此可消除平面谐振、二次场、地平面上表面电流通过平面边沿流到下表面。
3. 设置激励
噪声源端口激励电压设置为12V，敏感源端口设置为0V，这样可不影响观察场仿真结果 (只改端口电压幅度)，只是用于在观察特定场景的场特征时起作用，如图2-2所示。
图2-1 设置波端口
图2-2 励设置端口激励
4. 结果后处理
分析信号与电源间的耦合度，结合电场和磁场特征分析噪声耦合机理。具体流程总结如下:
对于四端口模型，S13/S31或S24/S42可用来表征耦合度/隔离度，因此分析S参数数值及其变化趋势即可分析出信号与电源间的相对耦合度。所有电气数据结果(S参数)都是电磁场现象导致的，因此通过观察电/磁场现象或电磁场的电气结果电流/电压特征便可以分析出具体的耦合机理。
5. 仿真结果分析
(1) 电源层和信号走线之间有地层时的噪声耦合
电源与信号同时参考同一地层，顶层是电源层，第2层是地层，第3层是信号层，第4层是地层，电源层以第2层为参考，信号层以第2层和第4层作为参考，如图2-3所示。
其结果分别如图2-4至图2-6所示。
图2-3 建模
图2-4 电源端S11/S12
注 : 当耦合度为O时，仿真结果会出现没有任何数据。原因是耦合度太低，无法显示。
(2) 存在过孔，无回流
电源与信号不在同一层，但是电源与信号同时参考同一地层。具体层叠结构如图2-7所示。
图2-5 信号端S11/S12
图2-6 表面电流分布
图2-7 建模
顶层是电源层，第2层是地层，第3层是信号层，第4层是地层。
电源层以第2层为参考，信号层以第2层和第4层作为参考。
放置没有回流的接地孔。在信号线附近放置接地过孔，由于信号和电源并不通过过孔进行传输，所以接地孔不作为信号和电源的回流孔，其分析结果分别如图2-8至图2-10所示。
(3) 放置异侧回流过孔
电源线和信号线不在同一层，部分电源线与信号线同时参考同一地层。具体层叠结构描述如下。
图2-8 电源端S11/S12
图 2-9 信号端S11/S12
图2-10 表面电流分布
顶层/底层是电源层，通过过孔连接，第2层是地层，第3层是信号层，第4层是地层，第11层是地层。电源层以顶层/底层为参考，信号层以第2层和第4层作为参考。如图2-11所示，注意电源线分布在信号线两侧。
放置回流的电源孔。由于两层电源通过过孔连接，所以电源会流过过孔，因此，电源的返回电流一定在过孔附近形成回流。其分析结果分别如图2-12和图2-13所示。
图2-11 建模
图2-12 信号与电源的耦合度
图2-13 电场分布
(4) 放置同侧回流过孔
电源线与信号线不在同一层，部分电源线与信号线同时参考同一地层。具体层叠结构如下。
顶层/底层是电源层，通过过孔连接，第2层是地层，第3层是信号层，第4层是地层，第11层是地层。电源层以顶层/底层为参考，信号层以第2层和第4层作为参考。如图2-14所示，注意电源线在信号线的同侧。
图2-14 建模
放置回流的电源孔。由于两层电源通过过孔连接，所以电源会流过过孔，因此，电源的返回电流一定在过孔附近形成回流。其分析结果分别如图2-15和图2-16所示。
图2-15 信号与电源的耦合度
(5) 信号通过过孔穿过电源平面
信号线在顶层/底层，通过过孔连接并穿过电源铜皮，电源层在第6层，第2、4、7、9、11层为地层，电源层以第7层为参考，信号层以第2层和第11层作为参考，具体层叠结构如图2-17所示。其分析结果分别如图2-18和图2-19所示。
图2-16 电场分布
图2-17 建模
图2-18 耦合度
图2-19 电场分布
(6) 信号和电源都在顶层和底层，参考层相同信号和电源在顶层/底层的同侧布线，然后通过过孔分别将电源走线和信号走线连接到一起，信号过孔和电源过孔阵列距离非常近，同时第2、4、7、9、11层都为地层。具体层叠结构如图2-20所示。其分析结果分别如图2-21和图2-22所示。
图2-20 建模
图2-21 耦合度
图2-22 磁力线分布
6. 资源效果分析
由于只针对“问题” 区域进行仿真，可使用HFSS 3D Layout的cutoff工具，大大简化了 仿真计算量，一般配置的计算机即可完成相关仿真。
2.3 结论
“完整” 的地平面对电场和磁场有明显的“隔离”效果，降低了信号的路径及其返回路径“产生”噪声干扰的风险。过孔与平面间的电源噪声耦合主要耦合形式是互容，过孔附近的电场特征明显，场特征 类似“电容器”；过孔的反焊盘设计对过孔耦合平面噪声有较大帮助，平行板电容器的容量与平板间距成反比，与交叠平板面积成正比。过孔间的噪声耦合中，回路的磁场特征明显，场特征类似“变压器”。信号的返回路径分析对过孔间的噪声耦合非常有益，信号返回电流“抵消”信号路径电流上产生的磁场。因此仿真主要针对不“完整”的地平面和返回路径不连续的结构进行分析，这大大简化了单板噪声干扰仿真的工作量。提取返回路径不连续物理结构进行电磁分析，并将电磁特征转换为电气特征，即S参数。只要分析S参数中表征耦合的数据就可以分析出噪声耦合的强弱。
文中案例选自《ANSYS电磁兼容仿真与场景应用案例实战》
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