基于PCB布线的电磁场仿真
时间：2022-09-11 02:47:31
摘要： 本文介绍了印制电路板（PCB）设计中经常遇到的一些电磁兼容性问题。通过PCB布线的电磁场仿真图，直观地对其EMC规则进行分析。从信号线的走线布局、长度、电源线的布置等方面详细讨论了印制电路板设计中抑制干扰及实现电磁兼容的方法。PCB电路设计工程师在电路设计之初运用这些原则规范能够很好的解决布线的电磁干扰问题。
关键词：电磁场仿真分析；电磁兼容性（EMC）；Zeland ie3d软件
中图分类号：TM154 文献标识码：A
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：
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：
（a）图磁场分布不均匀 （b）图磁场分布均匀
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。
参考文献
[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.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.
