模拟电磁干扰有可能吗？

如今，由高频多相 DC/DC 转换器驱动的千兆赫处理器以千兆赫兹的速度与内存通信。在这些频率下，组件和印刷电路板 (PCB) 寄生阻抗会产生与频率相关的电压降、天线结构和 PCB 谐振，进而产生电磁干扰 (EMI)、信号完整性和电源完整性 (SI/PI) 问题。在上一篇文章中，我研究了使用 LMG5200 半桥 GaN 开关等超快功率晶体管满足电磁兼容性的挑战。在这篇文章中，我们将介绍高度复杂的软件工具，这些工具可以帮助在制造之前识别 PCB 问题区域。

设计高速、混合信号 PCB 需要经验丰富的工程人员和设备资源——因此，开发成本可能非常高，尤其是在需要对电路板进行多次迭代以实现合规性时。EMI、SI 和 PI 设计问题会延迟产品发布，如果在产品发布后发现问题，则会导致客户退货、产品召回和消费者信心丧失。公司的盈利能力取决于对其产品的仔细分析，并且随着工作频率的增加，也需要了解 PCB 的电磁 (EM) 场行为。

幸运的是，同样的高速千兆赫处理器和电路板启用了电路设计的新范式：高度先进的电路仿真。众所周知，您可以使用电路仿真来优化电路性能，甚至对已知 PCB 器件执行最坏情况电路分析。但是，您能否模拟作为 EMI 和 SI/PI 问题根源的“隐藏”PCB 寄生元件？幸运的是，今天的答案绝对是肯定的！

在过去的几年里，我一直在关注 3-D EM 求解器的进步，我对计算机仿真技术 (CST) 为 3-D EM 分析所做的工作印象深刻。例如，我快速将 LMG5200 评估板 CAD 文件作为 OBD++ 文件导入 CST EMC Studio，并使用宽带激励信号表征 PCB 平面、走线和组件阻抗。   

仔细检查电路板走线、平面结构、通孔和元件放置是推进任何高速电路板设计的基本要素。在 CST EMC Studio 中，我发现电源地连接到第二层上的一个较小的分离平面（图 1）。当我将激励应用于所示的固体接地平面而不是分割平面时，模拟的辐射发射显着改善。正如我在之前的文章中所讨论的那样，该结果与之前使用 TEM 单元测量的结果具有很好的相关性。

图 1：CST EMC Studio 中的层堆叠可视化

图 1 左侧的插图显示了输入“电源地”如何连接到第二层的分割平面（紫色平面）。右图显示了第 3 层的地平面（绿色）。

TINA-TI™ 中 LMG5200 的 SPICE 电路仿真预测了 LMG5200 在 60W、24V 至 12V 电源转换中的开关行为，如图 2 所示。该仿真也可以在 CST Design Studio 中完成。然后使用 CST Design Studio 将此开关波形应用于“协同仿真”中的 3-D EM 仿真结果，如图 3 所示。但请注意，3-D EM 仿真是计算密集型的——在复杂的电路板网格中求解麦克斯韦方程需要时间！3-D EM 模拟需要 3 个多小时才能在具有图形处理单元和 8 GB 内存的四核计算机上运行。输入/输出电容和激励信号在 CST Design Studio 中表示为端口，电场结果如图 4 所示。 

图 2：3-D EM 仿真的激励信号

图 3：协同仿真——SPICE 激发到 3-D EM 场仿真

图 4：探头球体和 3m 处的电场测量

图 4 中的模拟结果是每个 E 场探头在 3 米处的探头球体中放置在电路板周围的记录。特定频率的共振与我上一篇文章的测量结果很好地相关。从结果中可以看出，某些位置的探头具有较高的排放水平，从而可以深入了解电路板上的潜在问题区域。 

从这个强大的 3-D EM 模拟器的基本应用中可以清楚地看出，在尝试设计高速电源转换器、配电网络 (PDN) 和其他高速度信号/通信总线。使用像 LMG5200 这样的宽带隙半导体的电路板设计必须处理皮秒上升时间和超过 40V/ns 的电压转换速率。在推进符合电磁兼容性的解决方案时，像这样的功率转换需要对电磁场行为具有更高的灵敏度。幸运的是，3-D EM 场求解器已经取得了进步，可以帮助工程师在设计阶段的早期隔离问题，从而节省成本并加快产品上市时间。