基于Ansoft电磁兼容软件的电路SI、PI及EMI仿真

ANSYS 2011中国用户大会优秀论文

基于Ansoft电磁兼容软件的电路SI、PI及EMI仿真

关铭张杨钧

北京控制与电子技术研究所 100038

[ 摘要 ] 为了有效地利用仿真软件对高速电路设计中的信号完整性（SI）、电源完整性（PI）及电磁完整性（EMI）进行协同设计和分析。本文对已设计完成的电路板，利用Ansoft电磁兼容软件

完成仿真分析，分析仿真结果对器件选型及电路优化有着重要意义。

[ 关键词]信号完整性、电源完整性、电磁完整性

SI、PI and EMI Simulation Based on Ansoft EMC Software

Guan Ming, Zhang Yangjun

Beijing Control and Electronic Technology Institute 100038

[ Abstract ] In order to effectively use the simulation software of the circuit design of high speed signal integrity (SI), power supply integrity (PI) and electromagnetic integrity

(EMI) for collaborative design and analysis of a problem. In this paper, with the use of

Ansoft Emc software, a PCB which has already been designed is simulated. The result

of the analysis has important significance on the selection of the instruments and

circuit optimization.

[ Keyword ] SI, PI, EMI

1前言

随着半导体工艺向高速度、高密度发展，时钟频率日益提高，电路设计中信号完整性（SI）、电源完整性（PI）及电磁完整性（EMI）问题显得更为严重。

SI保证数字电路的正常工作和芯片或系统间的正常通信；PI保证电子系统拥有可靠的系统供电和噪声控制；EMI保证PCB板级电路系统不干扰其他系统或者被其他系统干扰。SI、PI和EMI在设计过程中，必须同时保证，缺一不可。

随着电磁仿真软件的发展，其已具有提取寄生和耦合参数，进行时域和频域的电路和系统仿真的能力。利用电磁和电路仿真软件，对印制电路板（PCB）进行SI、PI和EMI仿真分析，可以有效控制设计成本和设计周期。本文对已设

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计完成的电路板，利用Ansoft电磁兼容软件完成仿真分析，完成了SI、PI和EMI仿真流程，为接下来优化设计打下基础。

2理论基础

信号完整性的问题有很多，但归纳起来都与下面四类特定的噪声源的一个有关：

（1） 单一网络的信号完整性；

（2） 两个或多个网络间的串扰；

（3） 电源和地分配中的轨道塌陷；

（4） 来自整个系统的电磁干扰和辐射。

在工程中，针对单一网络的信号完整性，首先使用线条阻抗为常量或者“可控”的电路板；其次，提供使沿线阻抗保持不变的拓扑结构的布线规则；最后，在关键地方放置电阻来控制反射以设法使接收到的信号质量更高。对串扰问题，需要用优化信号的返回路径等方法实现。针对轨道塌陷，应通过去耦和层叠设计等方法使电源分配系统（PDS）的阻抗最小。而电磁干扰问题的解决，需要找到辐射源和敏感器件，对其进行优化设计。

随着速度的提升，对电路中传输线的要求也更为严格。当时钟频率超过100MHz、边沿率小于1ns时，长度超过1in的互联线就开始变现出传输线效应。

当今串行链路互连的速度通常为3.125Gbps，有一些甚至高达10~12Gbps，边沿率小于30ps，此时所有的芯片到芯片、芯片到连接器的互连都表现出传输线特性。传输线的主要效应就是当信号通过互连线时，会引起的时延、色散和衰减。

通常，当传输线的物理长度大于数字信号上升边延伸的1/6时，会必须将互连线视为传输线。

3仿真流程

用于进行仿真分析的电路板是一块基于DSP的控制板，其晶振时钟为50MHz。在电路板中，核心芯片主要包括DSP、数据存储器SDRAM、程序FLASH、逻辑控制芯片CPLD以及外围低速的接口芯片。

仿真的第一步就是找到电路中的关键信号。对电路板进行分析，电路中的时钟信号以及DSP与SDRAM的通信信号速度较快，定义为关键信号。在完成仿真准备后，对其进行重点仿真设计。仿真流程图见图1。

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图1 仿真流程

首先，利用Ansoft links 将在PCB 设计工具中的PCB 板图导入电路电磁分析软件SIWave 中，见图2。

图2 PCB 导入SIWave

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对导入后的数据进行检查和叠层设置，见图3。

图3 数据检查和叠层设置

确认无误后，完成元器件模型修改并定义关键网络，见图4。

图4 器件模型修改和定义关键网络

在接下来的仿真中，分SI 和PI 两方面完成仿真。第一步是对SI 仿真，首先提取关键网络的S 参数，见图5。基于对电路的分析，我们首先分析时钟信号（共4路，由时钟芯片提供，DSP 有2路，CPLD 有1路，SDRAM 有1路），然后对数据信号按布线拓扑结构的不同，划分成3组，分别进行分析，找出每组中差异最大的一对信号，再将这6路信号作为关键信号进行后续分析。将4路时钟信号和6路数据信号的结果导入到Designer 电路仿真软件中，结合器件的IBIS 模型仿真出信号结果，见图6。对信号进行傅立叶变换，并输出文件，等待完成EMI 仿真。