利用电磁场测量工具观测电源/地阻抗设计问题

开关电源与地中间的键入特性阻抗是考量开关电源供配电系统特点的一个主要的指标值，危害开关电源供配电系统特点的关键因素有：PCB的分层次、线路板的走线、开关电源/地平面图的样子、电子器件的合理布局、过孔和管脚的遍布、IC的输出功率这些要素。为了更好地减少开关电源与地中间的特性阻抗，应遵循下列一些设计方案规则： 1. 减少开关电源和木地板层中间的间隔； 2. 扩大平板电脑的规格； 3. 提升添充物质的相对介电常数； 4. 选用多对开关电源和地质构造。针对设计方案技术工程师而言，精确测量开关电源与地中间特性阻抗的一个关键运用便是：提升板上去耦电容器的置放。

去耦电容的首要功能是抑止线路板自身独有的串联谐振以降低噪音，与此同时，因为EMI或噪音遍布通常与全部电路板上每个地区开关电源/地特性阻抗的遍布拥有紧密的关联，操纵开关电源与地中间的特性阻抗，是减少线路板的辐射源以操纵EMI问题的重要举措之一。这里边包括两层面的课题研究：1. 如何确定去耦电容的部位；2. 如何确定去耦电容的实际标值。

图1 开关电源/地平面图的实体模型构造

传统式的开关电源/地特性阻抗测量法之一便是运用矢量素材分析仪器来分辨线路板合理布局走线中具有的开关电源/地特性阻抗问题。这类方式存有的首要问题是：线路板务必设计方案生产制造出去并安裝好电子器件，一旦发觉例如EMI或噪音超标准这类的系统开发问题，返工再次设计电路板的概率就非常大。除此之外，运用该方式精确测量开关电源/地特性阻抗耗费的時间较长、去耦电容的精度等级不足、必须不断实验才可以最后提升去耦电容的合理布局。

另一方面，创建在经营基本上的去耦电容设计方案标准，一般规定：

*开关电源键入端跨接线一个10“100mF的电解法电力电容器；

*为每一个电子器件集成ic配备一个0.01mF的陶瓷电容；

工作经验标准存有的主要问题之一是有可能太多地加上去耦电容。

出自于减少上市时间和控制成本的考虑到，系统制造商必须更加迅速的方式，来观察线路板系统软件上具有很大的开关电源/地特性阻抗的地区，并精准地提升去耦电容的格局和设定，因此，文中主要详细介绍磁场模拟仿真和测量仪器在精准定位比较大开关电源/地特性阻抗点中的运用以及发展趋向。

仿真工具：“零成本”精准定位开关电源/地特性阻抗设计方案问题

在很多参考文献中，选用合理电感器来仿真模拟开关电源和地平面图的电特点。在低频率时的合理电感器实体模型（图1a）并没考虑到在开关电源和地平面图中短波的传递和串联谐振，因而，它不适宜于仿真模拟快速封装形式构造，仿真模拟的結果都不精准。线天线实体模型（图1b）是开关电源和地平面图构造的另一种类似。该方式可以解决波的传递和埋孔的相互影响，可是针对比较复杂的构造必须较长的时间计算，除此之外，要将这一时域技术性与频域电路设计器立即相互连接都不便捷。很多企业在电源电路烧录器中选用受欢迎的2D电容器/电感器网格图实体模型来仿真模拟开关电源和地平面图（图1c）。选用这些方式，导电性平面图被分成小的模块，每一个模块由模块中的电容器和电容来仿真模拟。这类办法的关键特点是它合适于瞬态SPICE种类电源电路的模拟仿真。

对开关电源/地模型的总体目标是缩小开关电源/地噪音、提升去耦电容合理布局并选取准确的去耦电容标值。这一环节中选用的EDA专用工具务必具有以下基本上构成部分：

（1） 可以获取同轴电缆的RLGC引流矩阵的2D场求得专用工具；

（2） 不利于同轴电缆烧录器；

（3） 用以关联线、埋孔、金属材料平面图的3D场求得专用工具；

（4） IC、光耦电路和信号接收器的个人行为实体模型。

比如，运用Sigrity 企业的SI仿真工具，并根据一系列“what-if”模拟仿真，可以明确适当的藕合电容器值。图2所显示为4层线路板，各层各自为数据信号、开关电源、地和数据信号，集成ic坐落于线路板的中间。图3所显示为10ns内开关电源面和路面中间噪音工作电压历史时间最高值的空间布局。从图4非常容易鉴别开关电源和板上去耦电容的部位。除此之外，还能够见到：上角表明存有非常大的开关电源/地噪音起伏，而这里恰好是钟表线埋孔所属的部位。显而易见，那时候钟线从高层向最底层变换时，开关电源和地中间的变换孔藕合了开关电源/地噪音。图5表明：钟表线埋孔坐落于同歩电源开关噪音的网络热点。

图2 同歩电源开关导出期内电路板上存在的问题的钟表互联网

缩小藕合噪音的计划方案非常简单。在电路板上角的钟表埋孔周边安裝一个去耦电容，此处的开关电源/地噪音就减少了，钟表网上的磁感应藕合噪音也减少到噪音幅值下。

一般地说，根据高精密模型测算并全波磁场求得方式，比如三维比较有限差分信号频域（FDTD）方式或有限元方法（FEM），正常情况下总可以提升全部线路板的去耦电容的合理布局，因而，是EDA行业发展的一个方位。

比如，Ansoft企业全新发布的NEXXIM做为新一代的时域频域电路设计专用工具，具有对超繁杂和规模性的微波射频和变位系数混和电源电路开展时域频域精准并迅速混和模拟仿真的工作能力。运用其特有的磁场模型仿真，可以对传统式模拟仿真没法圆满解决的独特元器件开展精准模型，如一些特别的非线形元器件和变电器（包含不对称和各种各样抽头变电器）等。与此同时，以其强劲的模拟仿真工作能力，适用现阶段日益繁杂的系统软件及模拟仿真。

安捷伦已然把它的EDA产品系列拓展到包含详细的3D磁场（EM）模拟仿真，包含与电源电路合理布局的立即连接及协作模拟仿真工作能力。

图3 在1.5ns开关电源和路面间的室内空间噪音遍布

Juniper Networks企业的Flomerics FLO/EMC为模拟仿真电子器件机器设备內部或周边的电流的磁效应给予了一个剖析自然环境，此软件有别于通用性的磁感应模拟仿真软件，它选用Transmission Line Matrix （TLM， 同轴电缆引流矩阵）方式来解麦克斯韦方程，可对EMC模拟仿真充分发挥出较大优点。TLM方式完成了在一个模拟仿真周期时间中，有效数据信号的全部工作频率根据一次计算就可得到系统软件的所有宽带网络回应，它对EMC剖析的奉献取决于很有可能的回应和辐射源影响的频带范畴很宽。除此之外，TLM方式创建了等效电路同轴电缆引流矩阵，并可以立即解出了他们的工作电压和电流量，进而准确地预料了电磁波的工作频率和部位。

图4 在10ns内开关电源和路面间的最高值噪音电流的空间布局

选用仿真工具的较大益处是：在线路板和系统开发进行以前，根据模拟仿真发觉系统开发中具有的EMI问题，并有可能快速优化去耦电容的格局和设定，进而以“零成本”进行操作系统的前期设计。

运用磁场测量仪器迅速观察开关电源/地特性阻抗设计方案问题

快速PCB剖析和模拟仿真设计工具，可以协助技术工程师在预料电磁波辐射的工作频率和部位层面处理一些问题，可是，要精准模拟仿真EMC问题，就务必用SPICE实体模型，现阶段几乎任何的ASIC都不可以给予SPICE实体模型，而要是没有SPICE实体模型，EMC模拟仿真是没法把元器件自身的辐射源考虑到以内的（元器件的辐射源比同轴电缆的辐射源大很多）。此外，仿真工具通常要在精密度和模拟仿真時间上开展最合适的，精密度相对性较高的，必须的时间计算较长，而模拟仿真速度更快的专用工具，其精密度又十分低。因而，用这种专用工具开展模拟仿真，不可以彻底发觉快速PCB设计存有的 EMI和开关电源/地特性阻抗超标准等问题。

图5 在埋孔处，钟表树遭受同歩电源开关噪音的危害

在各种各样电磁波辐射测量法中，常选用近场扫描仪测量法。近场扫描仪基本原理的精确测量关键在活力近场地区开展，DUT上发送的辐射源数据信号绝大多数被藕合到电磁场摄像头上，小量动能蔓延到尺度空间。电磁场摄像头藕合了近H场的磁通线及其PCB上的电流量，此外它也获得一些近E场的少量成份。绝大多数PCB活力近场地区动能都包括在近电磁场中。容向高新科技的Emscan扫描仪系统软件就合适于对这种PCB的线下确诊。

除此之外，Emscan具备频带扫描仪作用和室内空间扫描仪作用。频带扫描仪的作用取决于可以让技术工程师对DUT造成的频带有一个大概的了解：有多少个工作频率份量，每一个工作频率使用的力度大概多少钱。室内空间扫描仪的結果，是对于一个工作频率点的，是一张以颜色代表力度的地图，技术工程师能即时认清PCB造成的某一工作频率点的动态性的磁场遍布状况，进而对去耦电容的合理布局、主要参数挑选作出提升。因而，运用磁场测量仪器观察开关电源/地特性阻抗设计方案问题也是现阶段行业发展的发展趋势之一。

责编：gt

该文章内容提高散播新技术应用新闻资讯，很有可能有转截/引入之状况，若有侵权行为请联络删掉。