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原创 【你还不知道吗】第九期·技术经验分享原创大赛开始啦!

采用ANSYS进行PCB的远场和近场仿真

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a422877308
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  • 2018-5-1 12:11:50
http://bbs.21dianyuan.com/forum. ... 5&page=1#pid1204486
本贴为前面的帖子做铺垫而开的,对仿真有兴趣了解的朋友可以跟着做一下,这里用的ANSYS EM 18.1版本,因为EMC仿真对电脑硬件要求较高,建议使用配置I7 4C/8T,16G内存以上的电脑。本人用的Ryzen 1800X 8C/16T,16G内存在进行push excitation to HFSS后仿真消耗了大量的时间,前面的SIwave和circuit designer中的仿真因为仅仅对PCB内部进行网格划分,对配置要求不是很高。
进入主题

本贴第一个例子主要讲PCB中的辐射的仿真。通过SIWAVE导入PCB文件,对需要仿真的走线,提取其SYZ参数,并将其导入到Circuit里面,搭建源和负载,通过Circuit仿真获得走线上的时域信号特征,并将仿真获得的结果重新导入Siwave中,获得修正后的近场和远场辐射结果。仿真对象为一块63mm*78mm的PCB,通过加入层间去耦电容验证EMI的改善效果。主要目的在于了解软件的使用。
打开一块PCB,这里用原作者的PCB文件,选取需要仿真的trace并且建立端口。
2018-04-08_21-53-51.png

本帖参考的原作者来自台湾的一位大神,开此贴仅为交流用,如有侵权请联系本人删除
a422877308
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LV6
高级工程师
  • 2018-5-1 12:44:42
 
第一种情况,板间去耦电容C1_deactive
2018-05-01_12-20-41.png
仿真获得SYZ参数,并且将其导入到circuit designer中
2018-05-01_12-26-36.png
在circuit designer中进行电路搭接,为仿真对象的走线加入信号源,这里为上升沿10ns,脉冲宽度100ns的周期信号。designer中自带库文件,包含了较为常用的一些有源/无源器件模型。
2018-05-01_12-28-49.png
仿真完成后,可以看到每个节点的电压电流情况,因为是差分周期信号,也可以在结果中生成眼图。
2018-05-01_12-43-58.png 2018-05-01_12-43-30.png
a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-1 12:49:23
 
然后,将在circuit中仿真获得的数据结果导入到SIwave中作为远场辐射信号源。获取远场仿真图
跑出的3D场图at1Khz。左图是板级电容C1(50uF)de-active,右图是C1 active,可以看出右边的比左边的小两个数量级。
2018-04-24_22-34-06.png
跑出的3D场图at 1Ghz。左图是板级电容C1(50uF)de-active,右图是C1 active。
2018-04-24_22-41-09.png

a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-1 12:51:19
 
然后是3米法的远场辐射结果
2018-04-30_11-28-33.png
将1Ghz以下的辐射结果展开,可以看出明显的谐波关系。
2018-04-29_11-03-32.png
a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-1 12:54:44
 
若把此例的板级电容C1(50uF)在SIwave内打开(active)
SIwave重新求解一次,designer眼图重跑,重做一次push excitation,重解Far Field的结果如下所示

2018-04-29_12-01-15.png 此时可以看到:对比C1_deactive的m5,m6,m7与上图的m4,m5,m6会发现在加入C1后各频率下的EMI有所降低。在254MHz明显多了一根EMI是之前没有的,而这根EMI辐射的能量就是来自resonance,如下所示,左图为257MHz,VCC与GND平面的谐振,右图为1.02GHz,VCC与GND平面的谐振
C1 active.gif C1 active_1.025ghz.gif
a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-1 14:01:34
 
然后是近场的仿真,全部结果文件较大,这里只截取部分。从近场图中,我们可以看出pcb的具体哪些位置辐射较高,从而有针对性的采取措施。
C1 active_near field2.gif

cyx7610
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  • 2018-5-1 16:33:59
 
学习了。
liaozhaocheng
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版主
  • 2018-5-1 17:50:26
 
高级
埃_维_针1
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LV8
副总工程师
  • 2018-5-1 13:46:22
 
我的老工作站,dell M4600 I7 2760QM 8G内存,运行这个会不会卡死。。
a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-1 14:02:57
 
你试试吧,不至于卡死,顶多运行慢,或者在HFSS或CST做全三维仿真时提示内存不够。
admin
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管理员
  • 2018-5-2 08:50:13
 
感谢参与和分享,很需要的资料
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副总工程师
  • 2018-5-2 09:34:53
 
楼主碉堡了,之前也想用SIwave做仿真,但是有个问题,AD得出的PCB文件导不进去,就很尴尬了
nc965
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版主
  • 2018-5-2 15:27:08
 
厉害
a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-7 21:10:46
 
示例2,PCB和3维电感模型的EMI辐射仿真。这部分可能比较多的人会感兴趣,因为涉及到开关电源,而且采用的全三维仿真模型,相对于saber,PSPice等二维电路仿真更加精确。
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a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-15 22:32:59
 
首先,打开PExprt进行电感设计,因为这里仿真的是个buck电路,所以选择inductor里的buck电路
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a422877308
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高级工程师
  • 2018-5-15 22:47:32
 
然后,根据电源参数设置,比如12V输入,3.8V输出,开关频率200KHz,输出电流2A,系统自动给出感值15.58uH,纹波电流为833mA,从右侧选择设计的磁芯拖入Design Library,然后选择线管,线型,磁芯气息方式,绕制方式等。具体PExprt软件操作方式论坛之前有做过一期ANSYS仿真大赛,感兴趣的可以去跟着之前的帖子操作一下。
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a422877308
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  • 2018-5-15 22:52:30
 
当前面设置完成后,点开始设计,软件会根据设计给出最优的10种方案以供选择。这里我们按照损耗最小的原则选,完成后开始生成模型。
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  • 2018-5-15 22:59:31
 
确认无误后,这时可以由PExprt直接导入到Maxwell中了,Maxwell会根据用户导入前选择的求解模式,是静电还是静磁,抑或是涡流,来添加端口,求解器及结果栏,用户仅需要点击开始仿真即可。不过用户在修改时需要了解每个求解器之间的关系,与边界的关系,端口的设置等等。Maxwell入门的帖子在之前的ANSYS仿真大赛里也有参赛作品,写的挺好的,感兴趣的可以去看看。
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a422877308
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  • 2018-5-15 23:10:33
 
比如,我们选择静磁求解器,求解电感的感值大小,下面结果为每个绕组的感值大小,有差异是因为受空间位置,互感的影响导致。平均单匝感值约为1.15左右,有4匝,所以该电感感值为1.15*4*4=18.4uH,前面PExprt给出的设计结果为(17.593uH,误差12.9%)。Maxwell仿真结果精度要优于PExprt,在误差允许范围内。上一张电感周围磁场图
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a422877308
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  • 2018-5-15 23:19:27
  • 倒数10
 
将仿真完成后的模型打包为.sml model导入到HFSS,导入前需要准备好pcb文件,由siwave导入pcb文件,检查pcb的层定义,端口和元件定义等参数(具体可以看楼上部分)完成后由siwave导入HFSS,与从Maxwell中导入的电感模型进行装配。
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a422877308
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  • 2018-5-15 23:39:47
  • 倒数9
 
在HFSS中为仿真模型添加边界条件,求解设置,这里因为需要进行三维场求解,对电脑硬件要求较高。朋友做车载雷达的,之前看他们公司服务器内存1.2T,CPU上百颗。一般个人用户肯定用不上如此豪华的配置,但最起码也应该有I7或者AMD新出的锐龙8核心左右的CPU配置加16G以上的内存。
仿真完成后得到3m法辐射结果和表面电场图,可以看出HFSS给出的辐射结果较siwave想必没有那么的精确,显示不出谐波情况,这是受有限元算法和仿真资源影响的。所以建议做PCB的远场仿真,采用siwave的二维加三维求解模式。或者采用时域的CST(有机会另开一贴进行介绍)
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netzah
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  • 2018-5-19 18:59:48
  • 倒数8
 
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a422877308
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  • 2018-5-27 15:30:59
  • 倒数7
 
示例3. PI电源完整性的仿真
电源完整性严格的将也归属于信号完整性的一部分,只不过研究的对象为PCB上的电源网络(PDN)。电源完整性大致包括,压降(IR-drop),谐振,电源地噪声(SSN),电源平面阻抗,频域噪声隔离度等。
下面就分享两个PI设计的例子,一个是电源阻抗优化,一个是电源地噪声。
下图为一块显卡的PCB板图,显卡供电由两路电源,一路是12V总线,提供显卡上模拟电路和数字电路的供电,一路是3.3V的GPU芯片供电,3.3V电源因为是主芯片供电,有着低压大电流的特性,电源的纹波会直接影响芯片的工作状态,发热等参数。所以我们重点关注该电源网络的设计。
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a422877308
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  • 2018-5-27 21:08:43
  • 倒数6
 
下图黄色高亮部分为+3.3V_BUS电源网络,由PCIE接口进入,到GPU芯片管脚。
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可以看到,改电源网络还有其它分支,这里不去管它。仅对需要关注的部分进行分析。

a422877308
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  • 2018-5-27 21:36:06
  • 倒数5
 
SIwave针对电源完整性仿真,提供了许多较为方便的工具,比如下面需要用到的PI Advisor,使用该模块,操作者可以就所关注的一个或多个对象,查看阻抗情况,设置优化目标。
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然后,软件会就自动给出一些不同容值的去耦电容,操作者可以在库中选取需要的电容放入优化库中,库中的电容提供了生产厂家,阻抗曲线,价格,封装等重要参数。我们只需要把阻抗曲线中符合优化目标的电容选中即可(阻抗不符合的选了也没用)

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然后,软件会弹出仿真设置,包括基础的仿真设置,优化所需电容的总价(成本),最大电容数量等等。默认设置为5美金,实际当然用不了那么多钱,不过没必要去改它,因为AMD作为大厂,布线设计以及趋于完美了,优化所需的成本应该不高。
a422877308
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  • 2018-5-27 21:40:56
  • 倒数4
 
仿真完成后,软件会给出多个优化方案,包括优化后的阻抗曲线,电容的数量,电容的成本价格等重要信息都会反映在结果窗口中,我们只需要选择认为可以接受的方案即可。

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a422877308
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  • 2018-5-27 21:50:32
  • 倒数3
 
当然,仅仅做到上面的部分还是不够的,因为就多层板而言,电源地平面的谐振是常有发生的事情。谐振也是导致电源网络阻抗变化的很重要的原因。SIwave提供了平面谐振的仿真模块,根据仿真的结果可以看出谐振的具体位置。如下图所示,软件给出谐振发生的频率,K值,波长,Q值等参数,配合主窗口,可以看出对应频点下具体的谐振网络位置。第二张动图为具体谐振的情况。
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a422877308
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  • 2018-5-27 22:04:39
  • 倒数2
 
根据上面的结果,我们一般会选择在谐振位置的电源和地平面之间放置一颗去偶电容,本例中发生谐振的位置主要为两处,所以放两颗封装较小的电容。根据楼上谐振频率,选择1E-9uF的电容即可。结合电源网络阻抗优化的结果,对优化前和优化后的电源网络走线阻抗进行对比如下。红色是优化前的,棕色是优化后的,可以看到AMD的设计确实做的很好,默认情况下,整体电源网络在5GHz以内都保持10R以内,我的优化只是将3GHz以内的阻抗降低到0.1以内。后面高频的部分对比不明显的原因在于高频谐振位置不同,没有针对性的去优化,本次优化大致上没有增加成本,将一颗1206封装的大电容换成0402小封装小容值的电容,增加两颗0201的电容。本次目的仅为演示,实际工程中可根据情况选择是否需要对更高频段进行优化(射频板还是有必要的)

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  • 2018-6-6 08:46:02
  • 倒数1
 
还是有限元高大上啊,看起来很漂亮
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