ANSYS电磁兼容仿真软件解析

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 。1、 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

2、，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 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

3、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。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

4、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，止匕外，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，旧IS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

5、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

6、性等多方面 问题，影响欹件工具的使用效 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

7、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

8、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

9、 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。2、 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

10、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

11、之间 的耦合与隔离；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

12、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

13、 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，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

14、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，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，

15、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/EMC 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

16、/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。2. 设备调 研及选 型情况针对电 磁兼容仿真 平台，我

17、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、 PCB SI/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

18、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

19、混合IC设计仿真，封装和SiP设计仿真软件提供商，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、再至UPCB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

20、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。Cadence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。3、 设 备描述4、 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

21、， 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

22、 、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、Marvell, 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。5、 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

23、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 ,

24、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 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

25、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。止匕外，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 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

26、源分配系统PDS）性用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。 SIwave 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

27、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。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

28、 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