案例：高机能数字、混淆旗子暗记和射频RF无线产品的EMIEMC及共存仿真

基于我们在消费、移动、成像和汽车产品开拓等领域的履历，本文先容了在评估、调查和解决辐射EMI/EMC/耦合问题的新型仿真方法开拓中碰着的寻衅和取得的造诣。

本文第一部分先容了可能发生的射频滋扰实例和EMI/EMC标准。
在此根本上，通过实例剖析，提出了Ansys电磁滋扰/瞬态联合仿真的流程和方法。
强调了与丈量的干系性的主要性，由于它可以进一步评估EM电磁缓解技能。

实现EMI / EMC标准并避免耦合问题的繁芜性

1、EM Co-Existence耦合简介

当代电子系统常日供应强大的功能集成（见图1)，如高速数字链路(DDR、USB3.1、HDMI2.0等）和敏感仿照/RF射频功能（WiFi 802.11或蓝牙）。
所有平台功能的适当共存必须得到确保。
数字接口常日被认为是潜在的 EMI aggressors电磁滋扰源，可以与RF射频无线系统同时激活。
接下来的寻衅是确保在一个完全的系统中，每个单路射频无线系统与独立系统的射频性能水平相同。

图1：一个带有WiFi和其他高速接口和IP的机顶盒的示例:HDMI, DDR3…

HDMI2.0和(LP)DDR3/4标准是高密度、高速接口，这可能会产生许多潜在的耦合问题。
通道的共模(CM)和差模(DM)勉励（特殊是差分时钟）会产生很强的EMI电磁滋扰。

吸收机系统应能够处理以天线参考灵敏度所表征的非常小的旗子暗记。
例如，WiFi吸收器可以操作低至-82dBm或-155dBm/Hz的旗子暗记。
这是IEEE对6Mbps吞吐量和20MHz带宽[BW]的哀求，以保持令人满意的10%的 PER（分组缺点率）。
此外，WiFi吸收机系统可在ISM2.4GHz和5GHz频段事情。

如果WiFi天线放置在非常靠近于任意潜在的EMI电磁滋扰源的位置，WiFi灵敏度可能会受到影响，而RF射频吞吐量也可能会显著降落。
由于全体系统上耦合的繁芜性和可能性（拜会图2)，对耦合问题的研究常日是困难且耗时的。

图2：电磁噪声传播与耦合的繁芜性

2、EMI / EMC标准

消费类电子设备或系统，如手机或机顶盒，必须符合EMI/EMC标准。
在欧洲，所有国产品应遵照CISPR22“B”级建议。
在修订版5.2 2006-03[3]中，利用120KHz的分辨率带宽(RBW)在10m处进行1GHz以下的EMI电磁滋扰丈量，峰值电场辐射应保持在30或37dBuV/m以下。
对付电磁兼容性，则须要进行额外的测试，包括ESD放电或检讨产品对传导或辐射刺激的抗扰度。
在北美和亚洲，EMI/EMC标准是不同的(例如图3中的FCC标准)，但产品应在须要时符合相应的标准。

图3：SOC的1GHz以上FCC电磁发射测试

为了避免重新设计和延迟量产，建议在产品设计之初就开始准备电磁兼容和数模耦合方面的内容。
这包括考虑架构、技能、产品规模和layout设计方面的所有优化技能和履行指南。

EMI瞬态联合仿真方法

1、理解电磁滋扰理论的主要性

在开始利用这些工具之前，必须确保我们对所剖析设备的电磁滋扰理论有充分的理解。
对付数字差分对，有几种产生EMI电磁滋扰的电流勉励和互连环路（图4）：

图4：具有环路几何形状和电流的PCB差分对

差分模式(DM)勉励和环路共模(CM)勉励和环路串扰电流和环路

一些方程有助于估计辐射电磁场。
在一个数字接口示例中，在148.5MHz时，磁场为紧张场模，并且可以利用近场条件下的长差分导线的模型:

I是励磁电流（单位：mA），S是回流间隔（单位：m），D是丈量间隔（单位：m）。
C是来自构造下方接地层的系数（本例中为0.45）。
由于构造的繁芜性，该方程的有效性受到限定，但仍旧可以得到如图5所示的良好近似。

图5：估计/评估的H场和仿真的H场具有良好的干系性

在我们的案例中，科学近似有助于理解:

磁近场随1/D2减小差模辐射与差模电流成比，这是由标准限定的共模辐射与共模电流成正比，共模电流实质上由P/N驱动器和无源互连的平衡/对称性的质量定义共模或差模辐射与回路的面积(s或h)成正比，这是由PCB/连接器技能和设计谋略设置的。

2、关联仿真方法概述

在成功比较了数字高速接口案例上的仿真和丈量结果后，本文所述的方法得到了验证和批准(图6)。

图6：4个差分对(3个数据通道和1个时钟)的数字接口近场磁场图

EMI仿真流程采取Ansys工具套件，包括:

HFSS，三维有限元全波电磁求解器，用于构造建模和电磁场打算。
Ansys Circuit，类似SPICE的电路求解器，利用HFSS模型和真实的勉励模式进行瞬态仿真。
仿真结果在HFSS中进行回馈，以打算终极电磁场。

图7：STMicroelectronics中利用的ANSYS电磁滋扰流

在上述两种工具中进行的时域和频域仿真都须要再现真实的电磁滋扰场。
如图7所示，Ansys EMI电磁滋扰流确保了数据交流（端口级的S参数模型和频谱）的自动化。

该方法的发展在于找到最佳设置，以得到预期精度内的结果，并限定仿真韶光。
从这个角度来看，降落HFSS中的模型繁芜性至关主要（图8）。
已开展的调查确定了适当的切割间隙规则。
仿真的基本参数包括构造周围的包围盒类型和尺寸、端口类型、宽带S参数建模的扫频、网格设置和收敛准则。

图8：HFSS 3D构造仿真

HFSS S参数模型链接在电路环境内部，并在事理图中实例化（图9）。
请把稳，默认情形下，S参数模型会在类似SPICE的模型中自动转换。
端口勉励由IBIS格式的驱动程序设置，利用伪随机位序列(PRBS)来再现真实的用例。
在运行仿真之前，事理图应完全，包括具有足够精度的模型。
此外，韶光步长和停滞韶光等参数是非常主要的，由于它们用于通过FFT天生端口级的频谱。
分辨率带宽(RBW)与停滞韶光干系联，带宽(BW)可受韶光步长限定。

图9：HFSS模型在电路Circuit环境下的事理图

例如，15位长度的PRBS每45.32 kHz产生次谐波。
由于在这种情形下所需的最小频率是第一次谐波的频率，因此时域勉励的采样频率必须更小。
第一次谐波值的四分之一在此约束与瞬态仿真持续韶光（采样频率=11.33kHz=>停滞韶光=88.33s)之间供应了很好的折衷。

瞬态仿真后，建议利用眼图干系性来建立设置的可信度：

图10：在时域中，仿真（左）和丈量（右）之间具有良好的干系性

下一步是将勉励回馈到HFSS，以便重新打算EMI电磁滋扰场。
如上所述，必须仔细选择用于FFT的参数(BW、RBW、窗口……)，以匹配丈量设置。
EMI电磁滋扰的仿真和丈量紧张集中在磁场上，而磁场在电磁滋扰中起主导浸染。
为了避免受到外部环境（风扇、机壳……)的影响，还考虑了近场条件。
这意味着发射器和扫描之间的间隔D小于 /(2 )，个中是最大波长滋扰工具是WiFi接口，带宽为0-6Ghz， 因此为8mm。
为了灵巧性和研究目的，在构造上方设置了2个EMI电磁滋扰扫描方案，分别为D=0.15mm和D=6.5mm。

图11：D=0.15mm近场磁场仿真（左）和丈量（右）

3、EMI电磁滋扰评估标准及后处理

在数字高速打算机上成功地比较了仿真结果和丈量结果后，验证了本文所述的方法。

在我们的例子中，磁场为主导。
因此，为了定义质量标准和评估射频接口滋扰的风险，我们选择磁场均匀值作为度量：

Hav考虑了均匀辐射而不是最大辐射，并在全相位扫描[0；360]时利用以A/m为单位的最大场。
这个公式可以通过HFSS打算器设置。
均匀磁场的频率扫描图（图12）是我们进一步研究EM电磁优化技能的参考:

图12：TP1处的累积时钟CM/DM频谱为赤色且d=0.15mm

在我们的案例中，大约15%的H场来自连接器，82%来自PCB，只有3%来自封装。
然而，由于连接器位于PCB布线routing上方约5mm处，因此其对EMI的影响可能更大，这取决于RF射频天线的放置。
连接器类型，也便是表面安装的屏蔽连接器，也起着重要的浸染。

EMI电磁滋扰优化技能的研究

1、缓解EMI电磁滋扰风险的功能技能

如果在项目开始时就已经设计了函数化设计，那么该技能对产品本钱的影响就会非常有效。
SR(转换速率Slew Rate)掌握是一种为人所熟知的技能。
一个SR从5%到8%的UI(单位间隔)在时钟频谱上均匀给出3 dB的缓解。
辐射磁场相应减小。
然而，SR掌握会影响抖动，而且由于大多数高速链路接口对抖动有严格的哀求，因此这种办理方案常日有局限性。
扩频时钟(SSC)也是另一种缓解EMI电磁滋扰的常用方法，这在许多高速链路标准中都有定义。
它是通过频率调制实现的，常日受到时钟PPM容错和抖动的限定。
EMI电磁滋扰在三次谐波上最多降落10dB，在五次谐波上最多降落15dB。

图13：SSC的示例

数据置乱是指通过避免重复的位序列来扩展和降落频谱。
目前有几种方法，个中一些方法已用于标准中。
对EMI电磁滋扰的缓解可以高达20dB。

2、缓解电磁滋扰风险的物理 layout 技能

如前所述，共模噪声可能是EMI电磁滋扰的紧张成分。
共模滤波器(ECMF)由ST公司（意法半导体）开拓，和PCB ESD保护共同封装在一起。
ECMF的耦合电感滤除所有同相信号，让差分旗子暗记通过。
例如，ECMF04-4HSWM10将1至6GHz之间的CM噪声降落了15dB[7]。
ECMF定位是旗子暗记完全性和EMI缓解效率的关键。
首选靠近SOC的位置（选项3)，如图14、图15和图16所示。

图14：ECMF的3个位置选项

图15：SI仿照盘/D0/D1/D2

图16：H近场仿照/仿真图（dBm）

EMI电磁滋扰的减少紧张发生在来自共模噪声的偶数谐波上（第10、16、34、36、38和40次谐波）。
额外的EMI电磁滋扰仿真扫描清楚地显示，位置良好的ECMF正在阻挡共模噪声并限定辐射。

PCB埋置布线策略和机器屏蔽也是已知的EMI电磁滋扰缓解技能（图17）。

由于消费电路板常常利用直通过孔，这会影响SI裕量和EMI性能，我们建议针对低本钱运用中包含有限密度高速旗子暗记的敏感过孔进行背钻处理。
与激光钻孔过孔比较，PCB的逾额本钱是有限的（10%对50%）。
在埋入式布线PCB设计中，必须把稳谐振问题。
这意味着该当避免从芯片凸点到与敏感频带的/4匹配的紧张不连续性的间隔（ 例如，是对应于WiFi信道频带的波长）。

图17：带屏蔽层的顶层PCB布线与埋置\埋入式PCB布线的横截面

如图17所示，屏蔽层也常日用于消费电子或移动设备的运用。
与埋入式/埋置PCB布线类似，设计职员在屏蔽设计时必须非常谨慎。
建议检讨腔体 cavity和孔径谐振频率。
仿真和实际情形中的履历表明，发生在缺点频率上的谐振会使有屏蔽的EMI电磁滋扰比没有屏蔽的更严重。
由于近场是由磁辐射主导的，屏蔽接管效应将决定整体屏蔽效率。
采取1mm小孔径铜屏蔽（10x0.6mm）进行仿真，结果如图18和图19所示。

图18：D=6.5mm时，默认DUT、屏蔽和埋地布线的均匀H场，单位为dB（mA/m）

图19：D=6.5mm时的H场（dBm）图

对付屏蔽，除了在屏蔽层谐振频率（2.4GHz-2.5GHz）下增益只有6dB旁边，均匀H场增益从15到20dB。
对付埋入式PCB布线，增益范围为5到15dB。
理论公式和仿真之间的干系性很好。
纵然在共振频率上涌现差异，由于构造的三维繁芜性，很难预测，因此必须利用仿真工具。

总结

Ansys提出的EMI/瞬态流程适用于前辈的EMI研究。
与丈量值和理论方程的干系性良好，这使得开拓可靠且有代价的电磁滋扰仿真流程和方法成为可能。

在许多情形下，屏蔽层如果设计得当，可以在低本钱的情形下供应出色的效率。
利用ECMF进行滤波对付偶数时钟谐波也非常有用和有效，特殊是对付高CM噪声的实现。
调度RF射频接口相对付数字滋扰源的位置和方向是另一种EMI电磁滋扰优化方法。
对付以磁辐射为主的电磁场，EMI在近场场强低落至远场场强的1/D。
这意味着如果滋扰源和滋扰工具之间的间隔乘以2，近场辐射将减少12dB，远场辐射将减少6dB。
天线相对付滋扰源的垂直方向也可以减少耦合。
此外，建议研究函数化调度技能，只管旗子暗记完全性规范和标准中缺少机制的限定，但函数化调度技能仍旧非常有效。