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  • 發布時間:2020-10-26 13:42 原文鏈接: 電磁場求解器基本概念及主流PCB仿真EDA軟件解析(三)

      基于以上計算方法和行業的代表商業軟件有:

      Ansys Siwave

      是專門最大封裝和PCB的信號完整性和電源完整性分析平臺,使用電路和全波電磁場的混合求解器,可以完成直流分析,交流分析和電磁輻射分析。SIWAVE

      使用優化后的三維電磁場有限元求解技術,適合精確快速分析大規模復雜電源,地平面的PCB和封裝設計。

      電磁場求解器基本概念及主流PCB仿真EDA軟件解析

      圖5 Siwave PCB仿真

      Cadence Sigrity

      Cadence Sigrity采用多種混合算法,包括電磁場(EM)求解器,傳輸線(TLM)求解器,電路(SPICE)求解器, 如板間主電磁場采用FEM有限元法(POWERSI)或FDTD時域有限差分法(SPEED2000),傳輸線采用矩量法,非理想回路和過孔采用局部三維等效法,板邊輻射采用邊界元法等。

      電磁場求解器基本概念及主流PCB仿真EDA軟件解析

      圖6. Cadence Sigrity電源完整性仿真

      隨著系統數據率進入了Gbps和無線頻率進幾GHz領域,考慮非均勻互連的不連續性帶來的影響變得越來越重要。主要有兩類最基本的互連不連續:PCB上不規則形狀的互連對象,如:過孔、走線拐角、非均勻走線; IC以及PCB之間的互連結構。過去,對電路板上的均勻走線和封裝使用靜態或準靜態場解算器進行建模。那些尺寸小、不規則形狀的對象都采用近似或直接忽略的方式處理,這樣的方法對于沿速率相對較慢的信號的建模與仿真已經足夠了。但是,對于吉比特級的系統,特別是對于那些數據率超過了5Gbps的信號,電路板和封裝的細微結構造成的不連續性將顯著影響信號的質量,這將引起眼圖的閉合并帶來不可接受的誤碼率。因此,對于吉比特級系統的分析,需要引入三維電磁場全波分析技術。

      CST印制板工作室

      CST 印制板分析軟件基于積分方程和邊界元(BEM)的算法,能快速準確地從PCB結構得到電路仿真用的傳輸線電路(TLC)模型及部分元件等效電路(PEEC)模型,可以輸出標準SPICE集總模型(R,L,C,G)或者SPICE分布模型(Z,V,T)以及特殊的仿真模型(比如:HSpiceW-model)。 使用軟件內建的功能強大的二維場求解器以及高級網絡仿真器,可以非常容易地處理任何類型的EMC問題。內置的仿真器會自動考慮趨膚效應、介質損耗。

      此外,CST印制板分析軟件還將產品公差分析或電介質完全地考慮到諸如信號完整性、輻射或串擾等EMC計算中。其高效的內核可以分析從非常小的結構(比如:單一信號線)到復雜整板。

      求解原理及優點:

      CST 印制板分析軟件是為滿足行業用戶對于電磁兼容性、信號完整性和功率完整性效應的建模和仿真而開發的復雜印制板系統分析軟件。它為業界提供了完整的PCB板級、部件級及系統級的電磁兼容性、信號完整性及功率完整性分析解決方案。可以分析單層、多層復雜PCB板的信號完整性(SI)、電源完整性(PI)、PCB板對外的輻射及外界環境對PCB板的影響等等,還可以給出整板的電流分布和SPICE模型等。軟件主要功能特點如下:

      (1)時域及頻域算法;

      (2)2D邊界元法(BEM)和2.5D部分單元等效電路法(PEEC)提取Layout的分布參數網絡模型;

      (3)基于SPICE模型快速仿真包含走線、無源RLC器件、IC模塊及各類非線性器件整板的信號完整性和各器件上的電壓和電流,并得出PCB板上的電流幅相分布;

      (4)將PCB上電流導入CST MWS或CST MS進行包含有機箱機殼等整個系統環境下的電磁輻射仿真;

      (5)與CST MWS或CST MS聯合完成在整個系統環境受到外界電磁輻照時PCB板上的感應電壓和電流。

      電磁場求解器基本概念及主流PCB仿真EDA軟件解析

    圖7 CST高速差分過孔仿真

      HyperLynx

      HyperLynx SI提供三維電磁場建模與仿真功能,在Linesim中集成HyperLynx 3D EM三維電磁場仿真引擎,能夠在“前端”實現三維過孔物理結構電磁建模 ,提供Boardsim與HyperLynx 3D EM的接口,能夠提取復雜PCB結構的3D模型,從而實現精確的三維電磁場建模與仿真。

      電磁場求解器基本概念及主流PCB仿真EDA軟件解析

      圖8.HyperLynx高速信號仿真

      總結:

      隨著射頻應用頻率和速率越來越高,以及計算機技術的發展,早期的2D求解器基本不能滿足現代產品的設計需要,大部分商業軟件都會采用全波3D算法,這是一個趨勢。總的來說,沒有一個求解器或軟件適合所有應用,應該針對不同結構和電路特點選擇。選擇一個求解器和仿真軟件,除了考慮求解對象幾何維度,還行確認那些特殊效應需要仿真,這些效應是如何被模擬的。我經常說的一句話“沒有最好的PCB仿真軟件,只有最適合的仿真軟件”。


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