如何快速解决PCB设计EMI问题

随着电子系统的复杂度越来越高，EMI问题也越来越多。为了使自己的产品能达到相关国际标准，设计人员不得不往返于办公室和EMC实验室，反复地测试、修改设计、再测试。这样既浪费了人力，物力，也拖延了产品的上市时间，给企业带来不可估量的损失。于是，如何在产品设计的阶段就及时发现EMI问题变得重要。PCB布局、布线以及电源层的处理对整个电路板的EMI问题有着非常重要的影响。本文将通过实例分析讨论如何利用EMIStream来解决板级EMI问题。

    电磁干扰(EMI)分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号，通过导电介质或公共电源线互相干扰。辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号，通过空间耦合传给另一个电路网络或电子设备。

    在PCB电路板中，电磁能的存在有两种形式，即差模EMI和共模EMI。当器件输出的电流流入一个负载时，就会产生差模EMI。当电流流经多个导电平面，如PCB上的导线组或电缆，就会产生共模EMI。图1给出了差模EMI和共模EMI的示意图。

    其中，I表示电流强度，f表示共模电流的频率，L表示电缆线长度，d表示测量天线到电缆的距离。

    解决EMI的主要方法是减少电路板上由各种原因产生的辐射能量，而控制EMI的关键，是降低电源地平面谐振和电路回流的路径阻抗，并正确放置旁路和去耦电容。

    本文使用EMIStream工具对板极EMI问题进行分析。EMIStream工具的两大主要功能是支持PCB板全部网络的EMI分析以及电源谐振分析。EMIStream是由日本NEC公司基于多年EMI设计经验开发的应用软件，可以用于Cadence、Mentor Graphics、Zuken和Altium等公司的设计工具中的各种PCB设计流程，在PCB制造之前解决EMI问题。EMIStream软件内建13条经典EMI检查规则，均经过日本NEC内部产品实际设计结果验证，每个检查规则的设置值是经过实际验证的最佳理论值。

    1．EMIStream分析流程

    图2是使用EMIStream对电路板进行分析的设计流程。EMIStream嵌入在PCB设计的全过程，在设计阶段解决EMI问题有利于减少反复设计的次数。

    2．布局的EMI检查

    A)当完成布局后，把Allegro数据直接导入EMIStream工具。 EMIStream和Mentor、Zuken、Altium等其他公司的主流PCB设计工具也都有接口，保证数据的完全导入。

    B)设定层叠信息，根据PCB板的层叠信息，填写入EMI。

    C)根据电路的设计数据，正确填写电路中相关NET的频率、串扰组、差分对、电源地信号的设置。

    D)设置规则的参数，我们选择采用默认参数，同时选择长度检查和最大辐射值检查项目对该板实施检查。

    检查结果以对话框的形式显示出来，用户点击错误提示，查看有问题的NET，然后采用下面两个方法来消除EMI问题：(1)调整零件的布局位置，减少NET总的长度；(2)调整网络的拓扑结构，减少共模辐射的强度。

    3：布局布线中和完成以后的EMI检查：

    A：当布局布线完成后，实施整板网络检查，通过NET Parameter选择需要检测的所有关键信号，比如时钟、数据、地址线、差分对等，同时可以任意选择13条规则作为EMI检查的基准。

    B：13规则包括传导辐射分析用的2个规则、电流回路分析用的3个规则、电源和地层分析的2个规则、信号完整性分析的4个规则、元件布局分析的2个规则。

    C:检查结果以对话框的方式显示出来，按照网络的EMI问题的严重程度从上到下逐一列出。打开每一条出错网络，将列出全部EMI出错信息(错误列表)，有的出错信息还会显示修改提示，最后列出该网络的最大辐射值以及差模辐射共模辐射值；同时，该网络在PCB版图上将高亮度显示，所有错误用红圈在网络上标出(图3)。

    图3：检查结果以对话框的方式显示出来，出错网络在PCB版图上将高亮度显示，所有错误用红圈在网络上标出。

    例如，第一个错误提示该网络没有完整的电流回路，点击该错误，画面放大显示并用红圈标示错误的位置。同时，还会弹出对话框，显示错误的原因，并给出几个修改建议。这些建议包括：(1)修改导线的路径避免跨不同NET的铜箔，导致参考平面不完整，阻抗失配。(2)修改铜箔的外形，使导线拥有完整的参考平面。第二个错误是该网络的最大辐射dB值，分为差模和共模辐射值。

    D：然后，显示发现的铜箔错误，比如GND铜箔边缘缺少过孔、过孔间距过大等。

    E：串扰检查帮助检查同一层并行走的部分或相邻层交叉的布线是否有串扰。建议修改并行太长的走线。

    4．电源地平面谐振分析

    在完成了对网络的检查并做了相应的修改，接下来针对电源地平面进行谐振分析。EMIStream通过模拟板的形状和电源、地平面之间形成的电容进行建模,并运用SPICE电路仿真进行解析。用红色表示大的电压波动,蓝色表示小的电压波动。

    首先对3V3的电源层面进行分析，鼠标点击选择3V3电源平面，填写和3V3电源平面最近的GND平面的间距，介质常数信息。修改Option选项中的计算网格大小为3毫米，设置扫描频率从30MHz到2GHz,步长为10MHz。点击RUN开始分析，结果如图4所示。

    谐振分析结果有两种图形显示：一种是PCB版图上的波动电压分布图，红色的区域为电压波动相对较大的地方，蓝色为电压波动相对较小的地方；另一种是在设定的频率范围内的全部谐振频率点，其峰值波动电压是否超标可以从选定的电磁标准曲线上看出。 从图5左图中可看出，电源/地平面在1.5GHz附近有很多谐振点。

    对于电源/地平面谐振问题，可以通过在电压波动相对较大的地方增加退耦电容来减少谐振。EMIStream系统自带了常用电容的RLC模型，如果需要特别的RLC电容模型，用户可以自由添加。我们在几个红色地方添加C104的电容。需要注意一点的是，采用电容串联电阻的效果可能更好一些。再使用相同的设置，重新进行分析，结果见图5右图。此时的分析结果得到明显改善，刚才红色的区域都变成蓝绿色，从2G以下的最大谐振值都降到-5dB以下,满足了系统的设计要求。

    本文小结

    PCB设计的EMI问题是一个非常复杂的问题，需要用各种方法来综合处理，通过该案例分析，可以发现：(1)联合使用EMIStream工具和PCB设计工具，可以大大提高设计效率；(2)可在PCB设计阶段发现并解决EMI问题，减少反复修改的次数，节约成本；(3)与通常的SI分析工具相比，不需要IBIS模型，不是对一个网络而是对全部网络进行分析，很快(一分钟)可出结果；(4)可以立竿见影的帮助PCB工程师，帮助改进布局布线策略，减小电路板的EMI干扰的发射；(5)有效地提高设计质量，缩短设计周期，加快产品上市时间。