Si、pi协同的emi分析—打印版

与SI和PI协同的EMI分析（附华为案例）

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与SI和PI协同的EMI分析 与SI和PI协同的EMI分析方法包括：

• 在设计早期深入洞察器件的EMI性能 • 使用同时考虑SI和PI的仿真工具进行EMI分析 • 直接使用SI和PI的分析结果，最小化额外时间和 资源 • 流程自动化

Maximum Field 1m

GabeBoardv2_ff

30.00 Curve Inf o

db(MaxEtotal*1e6) Far Field Sim 1 Phi='0deg' Theta='0deg'

20.00

10.00

0.00

m3

m1

-10.00 m4

dB (uV)

-20.00 m2

-30.00

-40.00

-50.00

-60.00 Name

m1 m2 m3 m4

-70.00

-80.00 0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

X

Y

100.0000 -9.7223 200.0000 -25.1913 300.0000 -2.4398 400.0000 -14.3371 1000.00

Freq [MHz]

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EMI – 干扰源 明确源 来至明确的信号和辐射结构，例如天线

未知源 (90%以上的EMI问题) 来至未明确信号的辐射，包括: 共模噪声 串扰耦合到I/O路径（如跨板系统走线、电缆等） 电源层、板上其他结构（如过孔Stub）

*Reference from “ PCB Design for Real-World EMI Control ” Bruce Archambeault © 2015 ANSYS, Inc.

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EMI – 辐射基础理论

走线上的环路或回路电流会成为有效电磁干扰源，

Is

Is Is

PCB上不同层形成的平行板上的电流造成电磁干扰源，类似 patch 天线 上述两种天线的的辐射效率和频率由回路大小和平板大小决 定 © 2015 ANSYS, Inc.

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EMI与差模&共模电流 A PC Board

从图中可以看出共模电流造成的影响远大 于差模电流 箭头表示电流方向 © 2015 ANSYS, Inc.

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EMI和天线理论 环形天线 差模电流

131.6 10-16(f 2 AI) sin θ E r A = loop area r = distance I= total current f = frequency © 2015 ANSYS, Inc.

偶极子天线 共模电流

4 107 ( f Il ) sin  E r l = current length r = distance I = total current f = frequency 6

远场云图 环形天线 差模电流

.055 V/m

偶极子天线 共模电流

Identical scale

.47 V/m

从图中可以看出共模电流造成的影响远大 于差模电流 © 2015 ANSYS, Inc.

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与SI和PI协同的EMI分析 与SI和PI协同的EMI分析是让工程师在设计早 期洞察其产品是否会有EMI问题的设计方法。 这种方法是基于使用同一款工具分析信号完 整性和电源完整性，确保在SI和PI分析的同 时得到EMI相关信息。 如何进行SI和PI协同的EMI分析？ Name

X

-62.50240.0000 m1

Far Field Sim 1 Far Field Plot 1

Y

MethodeDeserializer_Wizardv3fixed_ff

-67.0077

Curve Inf o db(MaxETotal) Far Field Sim 1 Phi='0deg' Theta='0deg'

m1

-75.00

db(MaxETotal)

-87.50

-100.00

-112.50

-125.00 0.00

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50.00

100.00

150.00

200.00 Freq [MHz]

250.00

300.00

350.00

400.00

8

信号完整性分析

现代高速电路依靠高速率的数据传输。确保被传输的数据被正确 的接收和识别是信号完整性工程师最关心的问题。 如何使得信号满足SI要求同时降低潜在的EMI问题？

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如图所示PCB上有多条高速

数据通道。 这些通道在设计过程中为达 到最佳SI性能而被优化

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SI分析原理图

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被分析信号的时域波形

RGB, Vsync, Hsync, RCLK signals

RIN+, RINSignals

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被分析信号的频谱

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被分析信号的1米远EMI辐射

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驱动器端的典型信号 前几页PPT中显示了设计中几个输出信号在特定谐波频率上有

较大的EMI值 下图显示其中之一的输出信号和相应频谱 频域响应

时域响应 Name

X

XY Plot 5

Y

Circuit1

m30.00 240.0000 -28.0828

Curve Info dB(V(RCLK:15:U6_tx)) Transient1

-10.00

-20.00

m3

Original Signal

dB(V(RCLK:15:U6_tx))

-30.00

-40.00

-50.00

-60.00

-70.00

-80.00 0.00

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50.00

100.00

150.00

200.00 Spectrum [MHz]

250.00

300.00

350.00

400.00

15

添加滤波电路减小有问题的高次谐波 在驱动器输出端添加PI型滤波电 路进行抑制

在电路工具中优化电路器件值

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改善信号完整性 下图为驱动器输出端引入滤波电路后的信号响应 信号波形变“干净”，频谱峰值也降低了12dB左右 Name

X

XY Plot 5

Y

Circuit1

m30.00 240.0000 -40.1060

Curve Info dB(V(RCLK:15:U6_tx)) Transient1

-10.00

-20.00

- 12 dB difference

Filtered Signal

dB(V(RCLK:15:U6_tx))

-30.00

m3

-40.00

-50.00

-60.00

-70.00

-80.00 0.00

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50.00

100.00

150.00

200.00 Spectrum [MHz]

250.00

300.00

350.00

400.00

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EMI对比 下图为驱动器输出端不带滤波和带滤波的两块PCB设计的3米辐射场值

修改后设计

原始设计 Name

X

Far Field Sim 1 Far Field Plot 2

Y

MethodeDeserializer_Wizardv3fixed_ff

-60.00240.0000 -77.6587 m1

Curve Info db(MaxETotal) Far Field Sim 1 Phi='0deg' Theta='0deg'

-70.00

m1

db(MaxETotal)

-80.00

-90.00

-100.00

-110.00

-120.00 0.00

50.00

100.00

150.00

200.00 Freq [MHz]

250.00

300.00

350.00

400.00

最大辐射电场在240 MHz处改善了大约12dB

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SI and EMI: 小结 如前所述，信号完整性优化不仅能信号传输质量更高，而且通过 减少高次谐波改善EMI问题。 优化过孔和其他突变结构对信号完整的改善虽然没在本PPT中呈 现，加上保持差模到共模转化最小化，这些都会有助于减小EMI 问题。 工程师使用的信号完整性分析工具，同时也能得到EMI辐射结果

这使得工程师对其设计在最终测试时是否会有EMI问题有所认知

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考虑信号完整性的电源完整性分析

|Z(f)| (Ohms)

有源器件要求提供干净的电源来确保正确操作。 电源分布系统设计必须确保所有用电芯片得到的电源电压在特定限 制范围内，噪声纹波足够低 现代设计中多个独立电源域、大电流和低电压器件使得电源完整性 分析变得复杂

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设计版图导入 Location of VRM

Measuring impedance at the six VCC pins on U41

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电源分布网络设计流程

Start

Finish Yes

关键器件供电 路径阻抗提取

确定超标频率

时域仿真检查 电源纹波

No

优化电容或改 变电源外形改 善超标情况

根据分析结果 改变原理图/版 图设计

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频域电源分布网络设计目标 ZTarget 

Power _ Supply _ Voltage  Allowed _ Ripple  Current

Mag. of Z

Z target |Z|

f

1 GHz 1KHz

Switching Power Supply

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1MHz

Electrolytic Bulk Capacitors

100MHz High Frequency Ceramic Capacitors

Power/Ground Planes Buried Capacitance

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目标阻抗定义

VRM

为了定义目标阻抗需考虑如下 两因素： − 峰值电流

Package Model

• 确定最大目标阻抗

− 功率谱 • 确定截止频率（cutoff frequency）

Driver

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峰值电流

峰值驱动电流37.87 mA

Driver Current

Ansoft Corporation

Driver

40.00

例如:

Curve Info

max

mag(Ipositive(vrm)) Transient

37.8706

35.00

− 6路并行驱动器和0.18 V最大电压波动：

0.18 V  800 m 637.87 mA 

mag(Ipositive(vrm)) [mA]

30.00

25.00

20.00

15.00

10.00

5.00

0.00 0.00

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5.00

10.00

15.00

20.00

25.00 Time [ns]

30.00

35.00

40.00

45.00

25

50.00

驱动电流频谱的累积分布函数（CDF） 667 MHz 选择适合的截止频率，确保绝 大部分信号能量位于此频段范 围内。

CDF

667 MHz = 97% of Spectrum

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电源完整性分析

添加2个VRM制造 商指定的47uF钽 电容

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裸板 vs. Bulk电容

Resonance @ 50 MHz 目标阻抗: 800 mOhm to 667 MHz

Bare Board Board w/ Bulk Caps

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计算电源分布网络的噪声 Nexxim_PCB_MARELLI_SIwave_link_DDR_Write DDR Data BUS DQ[0...15]

Ansoft Corporation Curve Info

1.80 V(DDR_U28_1V8) Transient1

1.75 V(U28_DQ0_A8) Transient1

1.25 0.25 1.25

V(U28_DQ10_D3) Transient1

0.25 1.25

V(U28_DQ11_C2) Transient1

0.25 1.25

V(U28_DQ12_C3) Transient1

0.25 1.25

V(U28_DQ13_B2) Transient1

0.25 1.25

V(U28_DQ14_B3) Transient1

0.25 1.25

V(U28_DQ15_A2) Transient1

0.25 50.00

100.00

150.00

200.00

250.00 300.00 Time [ns]

350.00

400.00

450.00

500.00

Drivers

Receivers

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电源开关噪声 板上噪声

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辐射发射

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选择更好的去耦电容

为了减小谐振效应，选择一个 在谐振频率附近低阻的电容

22 nF Capacitor

Board w/ Bulk Caps © 2015 ANSYS, Inc.

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Bulk vs. HF电容1

Board w/ Bulk Caps Board w/ HF Caps 1 目标阻抗: 800 mOhm to 667 MHz

No Resonance @ 50 MHz

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电源开关噪声 Board Noise

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Radiated Emissions

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使用更多电容降低阻抗 在板上添加10个1.2 nF电容，减 小高频段阻抗

选择1.2nF电容是由于其在 200MHz处具有低阻 4个这种电容放在器件U41附近

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最终设计 优化U41的去耦电容，并且在板上使用了埋容…

Target impedance specification met

目标阻抗: 800 mOhm to 667 MHz

阻抗超越800 mOhm @ >667 MHz

Board w/ HF Caps Only Board w/ HF Caps and using Buried Capacitance © 2015 ANSYS, Inc.

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电源开关噪声 板上噪声

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满足要求!

辐射发射

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PI and EMI: 小结 如前所述，优化电源分布网络不光能更高效的为芯片器件提

供电源，还能有助于消除辐射干扰。 工程师使用的优化电源分布网络的工具，也能同时得到EMI辐 射结果。 这再次使得工程师对其设计在最终测试时是否会有EMI问题有 所认知。

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SI、PI协同的EMI分析流程

SI、PI协同的EMI分析方法的基础是基于SI、PI和EMI三 者的密切相关性。 ANSYS用来分析SI和PI的工具同时也可以用来对设计中 可能会存在的任一潜在EMI问题得到更好的理解

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SI、PI协同的EMI分析流程 SI、PI协同的EMI分析流程包括： •基于SI要求优化高速并行、串行总线，以及时钟信号 •利用SI设计的结果分析EMI辐射 •考虑信号完整性的电源完整性分析和优化 •利用电源分布网络设计结果分析EMI辐射

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SI、PI协同的EMI分析流程

信号提取

基于SI的辐射分析

阻抗分析 确保信号提取具有足够的带宽 基于考虑SI的PI的辐射分析

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确保关键信号具有良好的传输和回流 路径

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SI、PI协同的EMI分析流程

信号提取

基于SI的辐射分析

阻抗分析

基于考虑SI的PI的辐射分析 SI和EMI兼顾

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SI、PI协同的EMI分析流程

信号提取

Planes为芯片提供电源，为信号提供回流 路径 确保阻抗平滑，并且在宽频段范围内为低 阻

基于SI的辐射分析

阻抗分析

基于考虑SI的PI的辐射分析 Courtesy of Xilinx Inc. and Dr. Howard Johnson “VirtexTM -4 Power System Performance”

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SI、PI协同的EMI分析流程

信号提取

基于SI的辐射分析

阻抗分析

基于考虑SI的PI的辐射分析

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非理想电源和高密度走线会导致意外 的耦合信号 确保没有意外辐射发射结构

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总结  SI 、PI和EMI都是基于相同的电磁基础，不能被分开考虑  去耦电容位置、容值和电源层阻抗都影响着电源质量，也影响EMI。改善 电源分布网络设计可以减小EMI问题  串扰、模式转换、不连续和结构突变都是SI关心的主要问题。这些问题也 会影响EMI。适当的SI设计会有助于减小不同SI引起的EMI问题。  与SI和PI协同的EMI分析方法可以帮助工程师在设计早期发现潜在的EMI问 题，减小产品发生EMI问题几率  与SI和PI协同的EMI分析方法要求使用同一工具、同一时间分析SI、PI和 EMI问题。

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CPS EMI Analysis 华为案例

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Chip/Package/System协同设计 Trend: Cost / Performance targets drive the integration of IC’s, SoCs, and SiPs onto low cost printed circuit boards.

EMC/EMI Far Field - CPM2 - 1.27v Baseline 60.00 50.00

dBuV/m__

40.00

Chip/Package/Board Co-design is required

30.00 20.00 10.00 0.00 -10.00 -20.00 0.00

0.50

1.00 GHz

1.50

2.00

SIGNAL INTEGRITY

POWER INTEGRITY

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ANSYS CPS EMI Solution Die Layout

Package Layout

Dynamic Link

CPM RedHawk

PCB Layout

DesignerSI

Push Excitation

Siwave Resonance Analysis Impedance Analysis Near field plots Far field plots

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仿真工具简介 RedHawk（半导体芯片设计部门使用）

– SOC Static/Dynamic IR analysis – Chip Power Model generation

SIwave − Board and Package Model − Near / Far Field Simulations Designer − Schematic Entry − Drives Circuit Simulation and Results

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项目简介 Chip

– Chip Size???

– Instance ???

Package − Package type: Flip-chip BGA − Package size/layer:??? 4 layer PCB − PCB size/layer:

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RedHawk生成芯片电源模型（CPM） TraditionalDie DieModel Model Traditional

Die Parasitics

Switching Current

CPM

50

CPM includes all die parasitics

Power-grid RLC Intrinsic De-cap Intentional De-cap Instance Load Capacitance Well Capacitance

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Estimated Cdie Missing Rdie, Ldie

50

CPM电流波形

VDD_A53_1

VDD_A53_0

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Siwave中集成PCB和封装设计

Probe Point

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Siwave进行S/Z参数提取 Die+PKG Z Parameter Simulation/Measurement profile VDD_A53_0

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Siwave进行S/Z参数提取 Die+PKG Z Parameter Simulation/Measurement profile VDD_A53_1

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Siwave进行S/Z参数提取 PCB S Parameter Simulation/Measurement profile S11:

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S21:

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Designer中仿真电路原理图

PKG

PCB

CPM

Probe Point

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CPS EMI仿真结果—瞬态分析

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CPS EMI仿真结果—VDD_A53_0 Spectrum

1.5GHz 3.0GHz

4.0GHz

I-f 60 I-f

Simulation

1.51GHz 底 噪

50

40

3.02GHz 4. 04GHz 底 噪

底 噪

底 噪

底 噪

底 噪

30

Measurement A

20

10

0

-10

-20

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-30 1

1.5

2

2.5

3

3.5 frequency (GHz)

4

4.5

5

5.5

6

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CPS EMI仿真结果—VDD_A53_1 Spectrum

2.0GHz

4.0GHz

Simulation

I-f 60

4. 04GHz

I-f

2.02GHz

50

底 噪

40

30

底 噪

底 噪

底 噪

底 噪

20

A

Measurement 10

0

-10

-20

-30 1

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1.5

2

2.5

3

3.5 frequency (GHz)

4

4.5

5

5.5

6

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CPS EMI仿真VS测试对比 两次测试对象为不同的PCB板，仿真结果与测试结果吻合度非常高

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总结 ANSYS提供了完整解决方案进行芯片-封装-系统全路径Chip-PackageEMI分析 在生产加工和测试环节之前通过对仿真环境中搭建的虚拟原型分析，深 度洞察设计更改和优化对EMI的影响

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Thank you

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