2020年新编ANSYS电磁兼容仿真软件解析名师精品资料

1、ANSYS电磁兼容仿真设计软件 用途：用于电子系统电磁兼容分析， 包括 PCB信号完整性、 电源 完整性和电磁辐射协同仿真， 数模混合电路的噪声分析和抑制， 以及 机箱系统屏蔽效能和电磁泄漏仿真， 确保系统的电磁干扰和电磁兼容 性能满足要求。 一、购置理由 1 现代电子系统设计面临越来越恶劣的电磁工作环境，一方面电 子系统包括了电源模块、信号处理、计算机控制、传感与机电控制、 光电系统及天线与微波电路等部分， 系统内部相互不发生干扰， 正常 工作，本身就非常困难；另一方面，在隐身、电子对抗、静放电，雷 击和电磁脉冲干扰等恶劣电磁环境下， 设备还需要有足够的抗干扰能 力，为电路正常工作留有足够的

2、设计裕量。为了确保 xx 系统的工作 可靠性，设备必须通过相关的电磁兼容标准，如国军标GJB151A， GJB152A。 长期以来，设备的电磁兼容设计和仿真一直缺乏必要的仿真设计 手段，只能依赖于设备后期试验测试，不仅测量成本高昂，而且，如 果 EMI 测量超标，后续的查找问题和修正问题基本上依赖于经验和猜 测。而解决电磁兼容问题， 也只能靠经验进行猜想和诊断，采取的措 施也只能通过不断的试验进行验证， 这已经成为制约我们产品进度的 重要原因。 2 目前我所数字电路设计的经验和手段已经有很大改善，我们在 复杂 PCB布线、高速仿真方面取得了很多的成果和经验， 并且已经开 始高速通道设计的预研。

3、 在相关 PCB布线工具的帮助下， 将复杂的多 电源系统 PCB布通，确保集成电路之间的正确连接已经基本上没有问 题。但是随着应用深入，也存在一些困难，特别在模拟数字转换、高 速计算与传输 PCB和系统的设计中， 我们不仅要保证电路板的正常工 作，还要提高关键性的技术指标，例如数模转换电路的有效位数、信 号传输系统的速率和误码率等， 此外，还要满足整个卫星电子系统的 电磁兼容 / 电磁干扰要求， 为此，我们迫切需要建立的仿真功能包括： 高速通道中，连接器，电缆等三维全波精确和建模仿真， 这些结构的寄生效应对于信号的传输性能有至关重要的影 响； 有效的 PCB电源完整性分析工具，对 PCB上的电

4、源、地等 直流网络的信号质量进行仿真 为提高仿真精度，需要 SPICE模型， IBIS 模型和 S参数模 型的混合仿真 需要同时进行时域和频域仿真和设计，观察时域的眼图、 误码率，调整预加重和均衡电路的频域参数，使得信号通道 的物理特性与集成电路和收 / 发预加重、均衡等相配合， 达到 系统性能的最优 有效的 PCB的辐射控制与仿真手段，确保系统 EMI 性能达 标。 现在 EDA市场上已经有一些 SI/PI 和 EMI/EMC仿真设计工具， 但 存在多方面的局限性。我们的 PCB布线工具虽然能解决一定的问题， 但是，由于工具本身主要是以布线功能为主， 结合规则约束进行设计 的，在解决我们上述

5、问题时存在着明显的局限，主要有： 主要以等效电路法建模与仿真，仿真的结构有限制，功能 不完备，如不能仿真非理想的电源 / 地，不能充分考虑信号线 的跨越分割和转换参考平面等，对于 EMI/EMC，只能做规则 约束，无法进一步仿真。 基本上都是以单点工具，也就是说，一个公司的工具只能 满足部分设计功能，在工程应用当中，不可避免地会带来接 口、仿真结果一致性等多方面问题，影响软件工具的使用效 果。 在高速串行通道的仿真中，由于高速串行通道的信号传输 速率较高，信道中的模型多用 S 参数建立或由电磁场仿真工 具得到，而 S 参数的本质是频域的，传统的工具中对于 S参 数的仿真功能非常有限，经常仿真不

6、收敛或花费很长时间， 无法在工程实际中准确评估整个信号通道的特性。 对于 PCB的辐射，只能给出原则性的规则约束，而实际设 计中，很多因素相互矛盾，只能依赖经验进行取舍，无法考 虑电缆、 机箱等三维结构的影响， 不能保证最后的设计效果。 仿真结构有限制，对于机箱的屏蔽结构，不能仿真任意形 状的屏蔽网结构，限制了设计思想，或者仿真时间过长，精 度不足，缺乏工程实用价值。 国内外众多成功经验证明，电子产品的 SI/PI ，EMI/EMC仿真和 高速通道性能仿真， 需要进行两方面的仿真即电磁场仿真和电路 仿真。电磁场仿真主要是研究结构对系统 SI/PI ，EMI/EMC以及高速 串行通道的影响，根据

7、机构的物理特性（几何结构和材料特性） ，通 过电磁场计算，提取 PCB、连接器、线缆等的寄生效应，生成 S 参数 或 Spice 等效电路模型，或者直接得到结构的辐射特性和串扰特性， 用于设计指导和性能改进。 在电磁场仿真的同时， 电路仿真也是必不 可少的。一方面，电路仿真工具能够将非线性器件和电磁场仿真得到 的结构等效电路结合到一起， 通过仿真得到信号的波形和频谱， 包括 时钟线、数据线和电源 / 地平面的波形、串行通道的眼图和浴盆曲线 等，直观地考察系统的 SI/PI 和传导 EMI 特性。 另一方面，对于辐 射干扰来说， EMI 辐射的强度不仅与结构相关（通过电磁场仿真进行 研究），还与

8、参与辐射的信号频谱强度相关，频谱强度必须通过电路 仿真才能得到。 3 由于系统电磁兼容设计牵扯到电路设计、结构设计很多细节， 出于保密和知识产权保护，无法与通过外包或第三方合作方式解决。 通过建立电磁兼容仿真平台进行电磁兼容设计， 不仅可以提高设计可 靠性和效率， 也可以帮助设计师增加电磁兼容的知识和经验， 提高设 计能力。 以往这种经验和能力仅限在一两设计的文档中， 或者个别个 设计师个人电脑中，无法更大范围的共享， 造成大量知识和经验丢失。 二、技术要求及设备选型情况 1技术要求 系统电磁兼容仿真软件需要能够同时提供高性能电路仿真和电 磁场仿真的软件供应商， 同时，电路和电磁场仿真工具还能

9、集成在一 起，实现双向调用，为设计带来极大方便，仿真软件主要功能包括： 电源完整性设计仿真 仿真多层、任意形状的电源和地层 , 快速得到整个电源和地结构 的谐振频率和谐振状态下的电压分布， 用于优化退耦电容和关键性元 器件的布局； 仿真板上放置去耦电容的作用及布局， 不仅可以计算任 意的电源/ 地形状，还可以考虑退耦电容的寄生效应，软件可以通过 多种方式定义退耦电容：并联测试 RLC 等效电路、串联测试 RLC等 效电路或 S 参数文件； 软件提供世界主流厂商的贴片电容元件库， 可 以非常方便地加入用户自定义器件模型。支持埋容层和频变材料特 性；能够仿真分割的电源 / 地平面之间的耦合与隔离；

10、直接得到任意 电源/ 地平面的特性阻抗等参数，用于改进设计。 信号完整性设计与参数抽取 拥有完备的信号完整性仿真能力，通过电磁场方法直接得到 PCB 上信号线的真实传输特性，充分考虑 PCB信号线的各种不连续性效 应，包括信号的传输与反射、迟延，拐角、过孔效应，过孔耦合、信 号线换层或跨越分割的参考平面，信号线与电源 / 地之间的噪声耦合 等各种效应， 直接得到信号线真实的 S参数特性，并且可以输出 S参 数模型包括差分 S参数模型，同时支持多种 Spice 等效电路模型输出， 用于进一步的时域仿真。具有虚拟时域反射 / 传输测量功能，能够得 到信号的时域传输与反射，耦合与串扰特性，用于信号完

11、整性设计。 直流压降仿真与可靠性验证 能够仿真供电系统的直流特性， 直观地显示整个 PCB上电流的流 向和电路密度、直流压降等特性，通过设置阈值，能够自动诊断 PCB 上的过孔和信号线， 进行可靠性验证， 标示出电流密度超标的过孔和 信号线，避免由于局部电流过大造成的 PCB失效，或者由于直流压降 过大造成的工作不正常。 还能降电流产生的损耗与热仿真工具工具结 合仿真系统通风和散热。 PCB辐射仿真 能够方便地定义电压源和电流源， 用于 PCB的辐射特性仿真， 包 括进场和远场特性、 得到空间辐射分布、 最大辐射场强随频率变化曲 线等关键性 EMI/EMC数据。辐射计算时，不仅能定义理想信号源

12、，还 可以通过文本格式导入信号幅度随频率变化的频变信号源， 或者通过 与 Designer SI 的双向数据交换，直接导入电路仿真得到的真实信 号源，精确仿真 PCB的真实辐射特性。 多种参数模型，和多种仿真方法 针对现代电路和 PCB特点，提供并支持多种器件模型， 包括 IBIS ， Spice ， S 参数，AMI模型等。对于高速通道常用的频域 S参数模型， 软件不仅支持卷积法仿真， 还支持状态空间法仿真， 从而确保了仿真 的因果性， 降低了对 S参数文件数据的要求， 同时又保证了求解的速 度和精度，同时，可以实现了模型自动语法检查和复用，对于同一个 参数模型文件， 只需进行一次模型的导入

13、， 再次仿真直接调用状态空 间模型，从而大大提高运行效率。 多种种眼图算法 现代设计的高速通道仿真， 需要快速得到串行通道的误码率。 软 件能够读入 Spice 网表模型和子电路、 电磁场仿真模型、 测量或输入 的 S 参数模型、文本格式的数据波形、文本格式的码流文件等，进行 线性和非线性电路的时域瞬态仿真， 具备收敛算法和自动时间步长功 能，确保仿真的速度和精确性。具有瞬态眼图、快速眼图和眼图验证 三种眼图算法，能够相互验证，支持串扰眼图，确保仿真的正确性和 理论基础，得到信号波形、误码率、统计眼图、浴盆曲线、等高线眼 图等结果，从而实现高速通道的快速准确仿真。 系统/ 整机的 EMI/EM

14、C设计仿真 通过精确的三维结构的电磁场仿真， 得到电磁场强度分布和辐射 特性，谐振模式等；从而可以准确的研究评估电子设备 / 系统的 EMI/EMC，比如：设备的电磁泄漏，机箱机柜屏蔽效应设计，天线布 局和互耦效应，辐射强度等。 高速关键路径 / 复杂的三维高速结构的 EMI/EMC/SI设计仿真 对于高速关键路径，如：子电路板 / 背板的高速信号线、过孔， 电缆、封装、连接器等，可以仿真得到 S参数等，分析信号的传输， 反射，匹配特性， 计算辐射和色散、模式转换和材料频变效应等对信 号传输的影响，并进一步设计和优化。 与第三方工具流畅的接口 可以方便导入各种 PCB和结构设计数据，加以仿真。

15、 2. 设备调研及选型情况 针对电磁兼容仿真平台，我们对多家厂商的产品也进行了调研， 包括美国 ANSYS和 Cadence公司。 美国 ANSYS公司是全球最大的 CAE仿真软件提供商， 其产品涉及 领域跨电磁，流体，结构和热等多个领域。其中电磁仿真软件覆盖射 频微波、 PCBS I/PI/EMC 、芯片设计验证、 机电系统等领域。 ANSYS公 司具备完备的系统电磁兼容仿真平台， 包括：高速设计环境和仿真平 台 Designer SI（ 包含瞬态非线性电路仿真和快速眼图、眼图验证和 瞬态眼图 ） ，专门针对 PCB整版全波仿真的 SIwave， 高频结构仿真 工具 HFSS，用于机箱屏蔽设

16、计和系统 EMI/EMC仿真，优化和参数扫 描模块 Optimetrics ，以及和 EDA工具的接口 Ansoftlinks for EDA， 多处理器模块等，构成基本软件平台。针对不同类型的结构，利用针 对性的电磁场进行仿真合抽取，并组装到电路仿真工具 Designer SI 中进行瞬态仿真，得到模型、频谱和眼图，仿真的频谱还可以用于 PCB的辐射分析，并进一步仿真 PCB经机箱屏蔽后的辐射强度，从而 全面、精确、快速地实现系统 SI/PI 和 EMI/EMC设计。 美国 Cadence公司的主要产品是全定制 IC 设计仿真，数模混合 IC 设计仿真，封装和 SiP 设计仿真软件提供商，

17、PCB仿真软件是其中 很小的一部分。 Cadence 能够同时提供从芯片到封装、 再到 PCB设计 仿真的全流程工具，其 PCB仿真工具 Allegro SI/SQPI 与 PCB布板工 具 Allegro 结合紧密，使用简单，仿真速度快。仿真得到的结果可以 直接转化为设计约束，反标回 PCB设计，作为布局布线的设计规则。 但是， Cadence公司没有电磁场仿真工具，只有时域而没有频域分析 能力。无论 SI 还是 PI 仿真，都基于电路法的时域分析。 仿真精度差， 对器件有源模型依赖度高。 Cadence的信号完整性和电源完整性相对 独立，无法反映二者之间的相互作用。缺少电磁场仿真功能。 C

18、adence工具的特点： PCB仿真工具 Allegro SI/SQPI 与 PCB布板工具 Allegro 结合 紧密，时域信号完整性仿真简单易用。 适合几百兆以内的高速信号完整性分析， 但是缺乏电磁场仿真 功能，频域仿真功能较弱。 Cadence 的信号完整性和电源完整性相对独立 , 没有协同设计 能力，其电磁兼容仿真只是做设计规则检查，并不能仿真实 际电路布局布线影响 EMI效果。 三、设备描述 1、美国 ANSYS公司是全球最大的 CAE仿真软件提供商，其产品 涉及领域跨电磁，流体，结构和热等多个领域。其中电磁仿真软件覆 盖射频微波、 PCB SI/PI/EMC、芯片设计验证、机电系统

19、等领域。其 中的 PCB 寄生参数提取和 SI/PI/EMI 分析工具 SIwave，高频结构仿 真工具 HFSS作为电磁场仿真的标准工具，是高速通道设计和系统电 磁兼容设计仿真的必备软件。 电磁场工具之间和不同的电磁场仿真模 型之间也可以互相调用， 能够大大简化和加快 EMI/EMC问题的仿真和 定位，给出设计指导，这是其他任何厂商所不具备的。ANSYS 的电 磁仿真设计软件方案，已经在国内的中兴、华为、中电14 所、航天 一院 12 所， 14所，航天 4 院 17 所，航天 5 院 501所， 502所， 504 所，513 所， Nokia 中国研发中心和 Rockwell 、Marv

20、ell ，HP、Motorola 、 LG、Sumsung等得到了成功应用，这些单位，既有军工研究所，还有 商业企业和著名的跨国公司。 2、所选产品的详细说明 ANSYS的电磁仿真环境，由 ANSYS工具与第三方 EDA工具的接口 AnsoftLinks ，PCB电磁场仿真工具 SIwave，三维高频结构全波电磁 场仿真工具 HFSS，信号完整性电路仿真分析工具 Designer SI ，电磁 兼容自动优化模块 PI Advisor 组成。 软件模块描述 DesignerSI ： ANSYS高速电路、系统仿真工具。 DesignerSI 将电路设计， PCB版图和三维电磁场仿真工具无缝地 集成

21、到同一个环境的设计工具 , 将高速设计所需的电路 / 系统时频域 仿真技术和电磁场模型提取无缝地集成到一个自动化的设计环境中 , 在电路设计中全面考虑 PCB、线缆等的影响， , 为系统协同设计与验 证提供了一套最完整的系统级解决方案。 DesignerSI 独有的 按需求 解的技术, 它使你能够根据需要选择求解器 ,从而实现对设计过程的 变量扫描，得到满足 EMI相关标准的 PCB布线，电缆选型和排布方式， 开孔位置和大小等规则，从而指到电路和电气设计。 DesignerSI 提 供了多种仿真技术，包括频域和时域系统仿真器、线性电路仿真器、 谐波平衡仿真器、包络仿真器、瞬态仿真器、矩量法多层

22、平面结构电 磁场仿真器等， 方便对高速电路和 EMI问题进行时域和频域的仿真分 析。 SIwave ：PCB高速电路和电磁兼容仿真优化工具。 SIwave 基于快速有限元法的 PCB电磁场全波仿真算法，彻底突 破了 PCB 布线工具和加工工艺的种种限制，能够提取实际三维结构、 包括非理想的电源 / 地平面在内的全波通道参数，精确仿真信号线的 真实工作特性，精确度可以达到 50GHz以上。此外， SIwave 还可以 仿真分析整个 PCB的全波效应，对于真实复杂的 PCB设计，包括多层、 任意形状的电源和信号线 , 可快速仿真整个电源和地结构的谐振频 率，用来考察 PCB板上关键器件的位置和关键

23、网络的布线路径中潜藏 辐射干扰源， 并模拟放置去耦电容后对谐振的作用及影响； 可以通过 在电源和地等直流网络上设置端口， 可以考察电源供电阻抗， 了解电 源分配系统（ PDS）性能，并模拟放置去耦电容后对电源阻抗的影响； 考察信号线和电源或地之间的耦合， 了解同步开关噪声， 仿真 PCB电 源完整性； 可以添加独立源和频率变化的受控源做扫频分析， 模拟数 字电源或者数字信号对于敏感信号和敏感位置以及整个 PCB的影响， 从而评估电路中的干扰分布；可以做近场和远场的辐射分析，考察 PCB的辐射特性。 SIwave的 DC直流分析，可以仿真走线和平面甚至 过孔上的电流分布密度和直流压降。 SIwa

24、ve 的仿真结果可以二维或 三维图形显示， 并可输出 Spice 等效电路模型用于时域仿真和系统的 频域分析。 SIwave 支持 Windows，Linux 和 Solaries 操作系统，支 持多 CPU的 64 位超线程计算机系统。 电磁兼容自动优化模块 PI-Advisor 电磁兼容自动优化工具， 用于 PCB或 SiP 设计前和设计后的电源 完整性优化策略， 可以在 PCB设计前， 根据信号工作的频率和噪声要 求，选取合适的电容类型和数量；在 PCB设计后期，评估去耦电容的 效果，并根据性能、成本、电容种类等指标自动优化 PCB上的退耦电 容，达到抑制噪声的目的。 HFSS三维高频结

25、构电磁场仿真器 计算任意三维无源结构的高频电磁场仿真软件。 它应用切向矢量 有限元法求解射频、 微波器件的电磁场分布， 计算由于材料和辐射带 来的损耗。可直接得到特征阻抗、传播系数、 S 参数及电磁场、辐射 场、天线方向图等结果。 可进行器件级和系统级 EMI/EMC以及系统天 线布局评估，研究机箱 / 机柜的屏蔽效应和汽车、卫星、飞机、舰船 等各种平台系统天线间的互耦影响， 计算无线系统中数字和射频信号 之间的相互干扰。 AnsoftLinks 接口软件 AnsoftLinks 是 Ansoft 工具和其他 CAD、EDA设计工具的接口。 通过 AnsoftLinks ，可以分析包括 Protel ，PowerPCB，BoardStation ， ExpeditionPCB ，Allegro 和 CR-5000在内的多种 PCB格式数据；也 可以导入 AutoCAD，Pro/E ，STEP，IGES，ACIS等机械结构设计文件。 软件模块特点： 功能完备：我们的电子设备涵盖了高速数字电路、 数模混