基于ANSYS电磁兼容仿真平台的仿真EMI设计

ANSYS电磁兼容仿真设计软件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。

一、购置理由

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，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。

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，此外，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，IBIS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、仿真结果一致性等多方面问题，影响软件工具的使用效果。

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。

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。

二、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，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/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、再到PCB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。

三、设备描述

1、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。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、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。

2、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，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。此外，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，了解电源分配系统（PDS）性能，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。

电磁兼容自动优化模块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和CR-5000在内的多种PCB格式数据；也可以导入AutoCAD，Pro/E，STEP，IGES，ACIS等机械结构设计文件。

软件模块特点：

功能完备：我们的电子设备涵盖了高速数字电路、数模混合电路、微波射频电路，和电源与控制系统等多个专业部门。这些部分通过PCB，线缆，连接器实现互联，装配在一起。ANSYS电磁兼容仿真平台能够满足高速数字电路、数模混合电路、微波射频电路，和电源与控制系统的仿真能力，具备PCB、电路、线缆连接器、电源、机箱的建模和仿真能力。而且这些工具可以相互调用，协同仿真，满足系统的需要。

集成化：电磁兼容的三要素包含了辐射源、辐射路径和被干扰体。单纯的从一个要素入手，比如降低辐射源，或者保护被干扰体，都不是最合理的办法。ANSYS电磁兼容设计的关键之一是前期的合理指标分配，在辐射源、辐射路径和被干扰体之间找到平衡，合理分配各个子系统的电磁辐射指标，以及线缆孔缝的电磁泄露或隔离度。从而在设计后期，减小设计的电磁兼容压力，避免问题在最后一刻爆发带来的风险的设计延迟。ANSYS的电磁兼容仿真设计软件还可以与ANSYS公司的结构、流体和热仿真工具集成在统一环境下，相互调用，实现多物理场耦合仿真。

流程和标准化：电磁兼容仿真尽管可以减小设计反复次数，但是一次仿真，需搜集模型或者自建模型和仿真，也需要花费大量时间和精力。随着设备系列化以及设计任务的增加，建立电磁兼容设计流程势在必行。依靠规范固定的电磁兼容设计流程，不仅可以将复杂的系统电磁兼容建模仿真工作简单化，降低对设计师对仿真的畏难情绪，还可以降低每次建模仿真的工作量，复用以前的仿真结果，极大提高设计仿真效率。ANSYS基于电磁兼容仿真平台，提供一套完备的EMI设计仿真流程。
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