ANSYS PCB和机箱电磁兼容分析

1、1PCB和机箱电磁兼容分析2内容提要EMC设计解决方案典型案例总结3ANSYS UGM 2016整机装配测试超标EMC测试产品EDA开发整机装配EMC认证测试通过OKNOEMC测试超标EMC测试传统EMC设计流程重复多次电整路改加，工无法满足性电能路要系求统，改严板重耽误交付EM周C期定！位测试传统设计流程新型设计流程EDA/CAD设计加工测试加工 测试EDA/CAD设计如何应对挑战仿真要解决哪些问题？引用虚拟仿真技术！4PCB电路板 设计与分析线缆设计与布 线机壳屏蔽与系统辐射分析EMC仿真设计要点信号完整性设计 电源完整性设计 信号干扰控制 PCB辐射控制等线缆设计与选型 线缆布局分析 线

2、缆辐射控制 线缆串扰分析等机箱开孔设计 设备布局分区 电磁泄漏分析 辐射发射分析等5内容提要EMC设计 解决方案典型案例总结6ANSYS 板级机箱EMC解决方案SiwavePCB/封装EMC专用仿真工具DesignerSI电路系统仿真平台误码率信号质量串扰/噪声Q3D任意三维结构寄生参数提取工具HFSS任意三维结构全波电磁场辐射仿真工具Push excitationAdd model频谱分析仿真电路场 路 协 同S11: Return Loss S21: Insertion LossS参数PCB近场电源阻抗优化电源电流密度寄生参数远场辐射方向图近场电磁场RE辐射发射7ANSYS HFSS场分布

3、辐射方向图等效电路抽取等等有限元法 (FEM)HFSS-IE Solver:积分方程法 (IE)混合算法 (Hybrid FEM-IE)物理光学法 (PO)HFSS-TR Solver:时域算法 (DGTD)计算能力算法模块应用领域端口网络参数(S, Z, Y)HFSS:天线：智能产品、蓝牙、WiFi、RCS；RFID、手机/无线终端；射频微波：卫星通信、国防、雷 达和SI/PI：IC、封装、PCB、连接器EMI/EMC: 分析设备自身产生的电磁干扰及与其他设备的共存生物医疗：MRI、人体特定吸收率（SAR）PCB互连器件天线片上元件微波器件RCS微波系统EMI高速通道生物医疗HFSS 是一款

4、针对任意三维结构的全波高频电磁场仿真工具， 它的核心价值在于向用户提供基于自动网格剖分技术的高 精度求解技术。 89HFSS 软件界面三维结构全波高精度电磁场仿真工具设计流程管理属性窗口模型树信息栏仿真进度/警告栏模型窗口ANSYS 技术-高精度全波 FEM有限元法(FEM)全波电磁场求解器已有二十多年的商用历史目前业界最成熟稳定的三维电磁场求解器区域分解法擅长求解任意介质复杂三维结构充分考虑材料特性：趋肤效应、介质损耗、频变材料FEM 特色技术自适应共形网格剖分、网格加密、曲线型网格切向矢量基函数、混合阶基函数强大的矩阵求解技术：直接法、迭代法、超限单元法精确快速抽取端口S参数快速扫频技术1

5、0 2016 ANSYS, Inc.Rectilinear mesh elementCurvilinear mesh element特色功能-参数实时调谐可以得到所有变量的任意组合所有参数及其组合对器件性能的影响器件的精细设计与调整-40.00-30.00-20.00-10.000.00Y1bpf8_120XY Plot 7ANSOFTCurve InfodB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 :

6、Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)-50.00Setup_1 : Sw eep_1-60.00-70.006.007.008.009.0010.0011.0012.0013.0014.00Freq GHz11特色功能-3D

7、component12ANSYS SIwaveSIwave 是特别针对 PCB、芯片封装的 SI/PI/EMC 仿真工具，采用定制化的 电磁场算法, 能够高效准确地求解几十层的PCB 和上千管脚的封装结构。 功能特点与 EDA 设计工具无缝集成，涵盖PCB 从直流设计到去耦电容设计，从高速设计到EMC设计所有方面帮助工程师深刻洞察电路器件与电磁场器件的相互作用自动考虑PCB 板上所有互连结构，如走线，过孔和焊盘等 应用领域集成电路(IC) 封装PCB 直流分布、SI、PI去耦电容自动优化高速通道设计近远场辐射、EMI/EMC 模块配置SIwave-DCSIwave-PISIwave13新版Si

8、wave用户界面主要功能：谐振分析 阻抗分析 近场辐射 远场辐射信号传输质量 电源完整性 RLGC提取电流密度分布 电压衰减时域阻抗反射HFSS 3D layout阻抗自动优化。Office风格流程化界面14EDA接口快捷建模主流EDA设计工具接口153D电磁场建模接口特色工具-Siwizard自动建立Designer仿真电路，无须人工自行建仿真电路16特色工具-PI advisor添加电容到优化对象电容库筛选实时显示Z11频响曲线17电源去耦网络阻抗自动优化模块，考虑电容容值，布局位置，焊盘等细节影响特色工具-PI advisor多种优化方案优化方案细节18特色工具-HFSS 3D layo

9、ut3D layout技术特点：全新的Phi mesh网格划分技术调用HFSS全波高精度仿真引擎便捷的EDA模型编辑能力19高精度多层结构参数提取PCB机箱联合分析功能0.200.400.600.801.00Freq GHz-300.000.00-250.00-200.00-150.00-100.00-50.000.0070.0050.00Y1HFSSDesign1XY Plot 2m1Curve InfodB(Sphere3meters) Setup1 : SweepGJB_RE102-2Imported2 dBuv/mName X Ym1 0.4300 -151.3243设备级RE辐射发射

10、Siwave完成近场分析HFSS连接Siwave近场数据联合三维电磁场工具HFSS,可完 成整设备的EMI分析20其他工具主要工具：DRC自动检查 区域切割仿真自动设置Pin group芯片封装与PCB的整合 电容模型管理传输线长度计算器信号线分析器版图编辑器2122ANSYS Q3DQ3D Extractor 是三维准静态电磁场求解工具，能够对任意 三维结构直接抽取寄生参数(RLGC) ，生成 SPICE/IBIS 模型。 功能特点电路/寄生参数提取的最佳工具能够定义任意导体状态，包括接地，浮空与信号，并无需重新求解即可 获得新状态下的电路参数无需人工干预的全自动网格划分能力能够将结果输出为

11、SPICE网表，用于系统与电路时域分析 应用领域IC 封装功率电子器件连接器线缆线束PCB触摸屏DDRx、Flash MemoryIGBT 封装触屏线缆连接器IC封装ANSYS DesignerDesigner 是 RF、SI、EMC 设计中进行系统、电路及电磁场分析的综合设计环境。 应用领域SI/PI 分析(如: 高速串并行通道)射频微波电路(如: 放大器、振荡器)无线系统(如: 收发机)EMI/EMC包含S参数模型的高速通道眼图分析大规模毫米波集成电路 (MMIC) 分析MIMO 系统分析 功能特点电路分析DC 电路、线性电路、瞬态、高速眼图、谐波平衡、振荡器电磁场分析2.5D 矩量法(P

12、lanarEM)、3D 有限元 (HFSS 3D Layout)系统分析系统时域分析、系统频域分析场路协同与HFSS、Q3D、SIwave、PlanarEM 的动态链接功能与HFSS、SIwave、PlanarEM 的激励推送功能Layout 编辑器ECAD 数据读取、导入导出DXF、GDSII、ANF等格式辅助工具Network Data Explorer、滤波器综合、Simith 圆图 模块配置23ANSYS Designer Pre/PostANSYS RF OptionANSYS SI OptionDesigner界面EM Design：电磁仿真Circuit design ：电路仿真

13、设计Circuit netlist：网表电路仿真Filter design：滤波电路设计工具器件模型库24电路仿真功能Designer(SI Option) Designer(RF Option)25特色功能VerifyEye Analysis使用统计(statistical)的方法分析误码 率分布BER (Bit Error Rate)、浴缸图 (bathtub)，非常快速，且可以支持芯 片后端的行为处理功能，例如均衡电 路；QuickEye Analysis通过阶跃效应作bitpattern作卷积算法 计算，活的眼图及波形。特点是计算 速度快, 可以直接用IBIS或IBIS-AMI等AMI

14、 Analysis使用冲击响应与pattern做convolution运算， (不受线性系统的限制)，且可 以支持芯片后端的行为处理功能，例 如均衡电路。26支持器件厂商目前能提供的几乎所有格式的电路模型，同时可实现ANSYS软件场分析模型的协同建模仿真电路模型接口27特色工具-UDS自定义方案强大后处理功能，用户自定义DDR总线数据处理方案，无需人工量测计算各项繁杂的仿真参数28新版R17.1 EMDesktop整合了HFSS/Q3D/Designer/Maxwell等用户界面实现场路界面完美结合29统一的操作环境ANSYS 统一的多物理场仿真环境 WorkbenchR16 全新推出 ANS

15、YS 电子设计桌面系统、电路和三维电磁场仿真之间更紧密集成统一的界面布局和操作习惯工程设计树参数化建模模型前处理材料库求解设置结果后处理场分布显示30GM 201631ANSYS U场路协同仿真HF: HFSS与Designer 的动态链接EM: Maxwell/Q3D/Simulink与Simplorer 的动态链接SI/PI/EMI: HFSS/SIwave/Q3D与Designer 的动态链接电磁场工具和电路/系统工具之间可实现双向动态链接与场路协同仿真Down-Top：从部件设计直至完整系统Top-Down：从系统至子系统逐步设计HFSS 四面体网格HFSS 三角面元网格HFSS 3D

16、 Layout Phi网格技术 高效处理复杂PCB和封装自动且精确的自适应网格剖分所有的场仿真软件都具备，用户可专注于产品设计，无需重复验证仿真结果Q3D 网格Maxwell 2D 网 格Maxwell 3D 网 格曲面型网格单元更好剖分曲面结构R16 中的三维组件功能，可实现组件装配与网格复用自适应网格剖分极易用，且确保结果准确32稳健的剖分算法，自动得到精确的网格共形的网格单元，可完美表征几何结构自适应剖分迭代，确保准确的仿真结果灵活高效的工具模块灵活的工具功能模块可以帮助用户快速建模分析，提高仿真效率，包括：HFSS 3D Layout, Siwizard, Pi advisor, wo

17、rkfolw, 3D component, UDS, ADK,Cable Designkit, signal net analysiser等等软件流程向导Siwizard:场路协同自动化PI advisor:电源自动优化工具-60.00-70.006.007.008.009.0010.0011.0012.0013.0014.00Freq GHz-50.00-40.00-30.00-20.00-10.000.00Y1XY Plot 7bpf8_120 ANSOFTCurve InfodB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1

18、,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port1,All)Setup_1 : Sw eep_1dB(TuneS(Port1,Port2,All)Setup_1 : Sw eep_1三维结构参数实时调谐33A

19、NSYS Electronics HPC & DSOHPC 价值HPC 的求解技术HFSSQ3DSIwaveDesignerMaxwell提升速度、缩短时间仿真更大更复杂模型充分利用硬件资源模块配置多线程求解区域分解并行HPC PackHPC Workgroup DSO 价值扫频求解并行CG/DCRL/ACRL 求解并行GPU 加速通过并行加快参数扫描、优化分析、 统计分析的速度充分利用硬件资源与 HPC 配合，进一步提升效率（多层级HPC）34ElectromagneticsFluid DynamicsStructural Mechanics2.003.004.005.007.008.006

20、.00Time ms123.75140.00160.00180.00200.00MnotweN Y1Torque (Neter)Time (ms)Single physics simulation, assuming a magnet temperature of 22C3-way Multiphysics simulation shows that theactual magnet temperature: 53C16% drop inpredictedperformance电磁热结构在ANSYS Workbench平台，只需拖 放就能实现方便快捷的耦合仿真和 自动数据传递，实现电磁和结构、

21、 流体的耦合仿真，进行散热设计和 热应力仿真多物理场耦合仿真35内容提要EMC设计解决方案 典型案例总结36PCB 机箱的SI/PI/EMC仿真分析37仿真案例Controller ICMemory ICGNDVCCSignals高性能PCB设计OutputInput解决了PCB的SI/PI/EMC问题，也就基本保证了PCB的高性能Impedance matchingEMI / EMCCommon mode signalPower supply and GrandKeep low impedancenoiseEMI / EMC电磁设计！Signal IntegrityReflectionDel

22、ay, a skewSCriogsns taalklJitterIntegrityPower IntegritySSO/SSNPlain resoPnoanwce erKeep loIwntimepgedraintcye of PDS38选择高速信号快速建模1，选择信号网络2，设定芯片模型与参数3，设定电源供电参数39自动场路协同信号时域波形信号时域眼图PCB宽带模型自动创建的仿真电路芯片模型40芯片电源pin脚纹波噪声频谱41电源纹波PCB辐射分析42地噪声分析如果PCB地接点存在一定的接地阻抗43PCB地噪声SOURCE_RESISTANCE 144-4.80E-06-7.71E-09 3.24E-062.19E-06-2.19E-06 1.87E-06-1.01E-06 3.52E-065.93E-07750000000 -2.14E-06751000000 -2.79E-06752000000 9.38E-07753000000 -3.48E-06754000000 6.67E-07755000000 -1.04E-