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基于EMIStream仿真的高速主板EMI设计 - 基于S3C2440嵌入式系统主板的电磁兼容性设计
来源：现代电子技术
作者：秩名日 10:49
[导读] 2．5 基于EMIStream仿真的高速主板EMI设计 2．5．1 主板仿真环境介绍 EMIStream是日本NEC公司基于多年EMI设计经验开发的应用软件，在日本已经推广使用了多年，
　　2．5 基于EMIStream仿真的高速主板EMI设计
　　2．5．1 主板仿真环境介绍
　　EMIStream是日本NEC公司基于多年EMI设计经验开发的应用软件，在日本已经推广使用了多年，它有效地减少了电子产品的EMI／EMC问题，大大缩短了产品开发周期。在仿真分析过程中，还将用到Mentor Graphics公司的Hyperlynx仿真软件，对信号网络进行阻抗端接处理。
　　2．5．2 主板叠层采用10层板初步减小EMI
　　主板叠层结构为T-G-S-P-S-G-P-S-G-B，&T&为顶层，&G&为地平面层，&P&为电源平面层，&S&为信号层，&B&为底层。高速信号走线时层的变化，及那些不同的层用于一个独立的走线，确保返回电流从一个参考平面流到需要的新参考平面。这样是为了减小信号环路面积，减小环路的差模电流辐射和共模电流辐射。环路辐射与电流强度、环路面积成正比。实际上，最好的设计并不要求返回电流改变参考平面，而是简单地从参考平面的一侧改变到另一侧。
　　2．5．3 传输线驱动端串联端接阻抗进一步减小EMI
　　利用EMIStream对主板进行EMI仿真分析，通过Estimation of radiated electromagnetic field功能评估整板EMI辐射，仿真结果如图2所示。NetLDATA6是CPU与SDRAM，NADNFLASH的数据通信网络，数据传输频率高达133 MHz，图2所示仿真结果中的DM指差模干扰，CM指共模干扰，NetLDATA6网络的差模辐射ED=55．4 dB》40 dB，共模辐射Ec=54．7 dB》40 dB，均超过GB9254规定的B级产品辐射限值，GB9254电磁兼容标准即《信息技术设备的无线电干扰极限值和测量方法》。
　　这里，首先运用Mentor Graphics公司的Hyperlynx仿真软件对NetLDATA 6网络进行terminator wizard提示需端接22 &O阻抗，端接处理后，重新导入EMIStream进行EMI仿真，仿真结果如图3所示。NetLDATA 6_T网络就是源端端接阻抗后的NetLDATA 6网络。可以看到，共模辐射和差模辐射都抑制到了GB9254规定的B级产品辐射限值以内。至于图中还存在的Maximum radiation辐射，只要再减小端接阻抗与驱动端距离，即可消除，最终的仿真结果如图4所示。
　　该嵌入式高速主板硬件上还采用了滤波、屏蔽技术，软件上采用了看门狗、软件拦截等抗干扰技术，最终整机通过EMC认证机构认证，信息技术设备在10 m测量距离处的辐射骚扰平均值为33．2 dB，符合GB9254标准。
　　3 结语
　　随着电子系统和设备数量的逐渐增多和性能的不断提高，电子干扰将越来越严重，如何减小设备之间的相互电磁干扰（EMI）使成了迫切要解决的问题。本文以嵌入式高速主板为平台，结合EMIStrearn，Hype-rl-ynx仿真软件，对整个主板进行板极EMI仿真，通过分析电磁干扰的产生机理找到抑制措施，结合仿真有效地抑制了差模共模辐射于GB9254规定的B级产品辐射限值以内。同时由于电子技术，应用广泛，而且各种干扰设备的辐射很复杂，要完全消除电磁干扰是不可能的。但是，可以采取硬件上滤波、接地、屏蔽等措施并结合软件抗干扰技术来减小电磁干扰，使电磁干扰控制到一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性。
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如何利用EMIStream来解决板级EMI问题
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为了使自己的产品能达到相关国际标准，设计人员不得不往返于办公室和EMC实验室，反复地测试、修改设计、再测试，如何在产品设计的阶段就及时发现EMI问题变得重要。PCB布局、布线以及电源层的处理对整个电路板的EMI问题有着非常重要的影响。本文将通过实例分析讨论。 电磁干扰（EMI）分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号，通过导电介质或公共电源线互相干扰。辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号，通过空间耦合传给另一个电路网络或电子设备， 在PCB电路板中，电磁能的存在有两种形式，即差模EMI和共模EMI。当器件输出的电流流入一个负载时，就会产生差模EMI。当电流流经多个导电平面，如PCB上的导线组或电缆，就会产生共模EMI。图1给出了差模EMI和共模EMI的示意图。 其中，I表示电流强度，f表示共模电流的频率，L表示电缆线长度，d表示测量天线到电缆的距离。 解决EMI的主要方法是减少电路板上由各种原因产生的辐射能量，而控制EMI的关键，是降低电源地平面谐振和电路回流的路径阻抗，并正确放置旁路和去耦电容。 本文使用EMIStream工具对板极EMI问题进行分析。EMIStream工具的两大主要功能是支持PCB板全部网络的EMI分析以及电源谐振分析。EMIStream是由日本NEC公司基于多年EMI设计经验开发的应用软件，可以用于Cadence、Mentor Graphics、Zuken和Altium等公司的设计工具中的各种PCB设计流程，在PCB制造之前解决EMI问题。EMIStream软件内建13条经典EMI检查规则，均经过日本NEC内部产品实际设计结果验证，每个检查规则的设置值是经过实际验证的最佳理论值。1．EMIStream分析流程 图2是使用EMIStream对电路板进行分析的设计流程。EMIStream嵌入在PCB设计的全过程，在设计阶段解决EMI问题有利于减少反复设计的次数。2．布局的EMI检查 A）当完成布局后，把Allegro数据直接导入EMIStream工具。 EMIStream和Mentor、Zuken、Altium等其他公司的主流PCB设计工具也都有接口，保证数据的完全导入。 B）设定层叠信息，根据PCB板的层叠信息，填写入EMI。 C）根据电路的设计数据，正确填写电路中相关NET的频率、串扰组、差分对、电源地信号的设置。 D）设置规则的参数，我们选择采用默认参数，同时选择长度检查和最大辐射值检查项目对该板实施检查。 检查结果以对话框的形式显示出来，用户点击错误提示，查看有问题的NET，然后采用下面两个方法来消除EMI问题：（1）调整零件的布局位置，减少NET总的长度；（2）调整网络的拓扑结构，减少共模辐射的强度。3：布局布线中和完成以后的EMI检查： A：当布局布线完成后，实施整板网络检查，通过NET Parameter选择需要检测的所有关键信号，比如时钟、数据、地址线、差分对等，同时可以任意选择13条规则作为EMI检查的基准。 B：13规则包括传导辐射分析用的2个规则、电流回路分析用的3个规则、电源和地层分析的2个规则、信号完整性分析的4个规则、元件布局分析的2个规则。 C：检查结果以对话框的方式显示出来，按照网络的EMI问题的严重程度从上到下逐一列出。打开每一条出错网络，将列出全部EMI出错信息（错误列表），有的出错信息还会显示修改提示，最后列出该网络的最大辐射值以及差模辐射共模辐射值；同时，该网络在PCB版图上将高亮度显示，所有错误用红圈在网络上标出（图3）。 图3：检查结果以对话框的方式显示出来，出错网络在PCB版图上将高亮度显示，所有错误用红圈在网络上标出。 例如，第一个错误提示该网络没有完整的电流回路，点击该错误，画面放大显示并用红圈标示错误的位置。同时，还会弹出对话框，显示错误的原因，并给出几个修改建议。这些建议包括：（1）修改导线的路径避免跨不同NET的铜箔，导致参考平面不完整，阻抗失配。（2）修改铜箔的外形，使导线拥有完整的参考平面。第二个错误是该网络的最大辐射dB值，分为差模和共模辐射值。 D：然后，显示发现的铜箔错误，比如GND铜箔边缘缺少过孔、过孔间距过大等。 E：串扰检查帮助检查同一层并行走的部分或相邻层交叉的布线是否有串扰。建议修改并行太长的走线。
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