Материал: Электромагнитная совместимость радиотехнических систем. лабораторный практикум. Федоров С.М., Ищенко Е.А

Рис. 40. Четырехслойная печатная плата c максимально тонкими проводниками

Алгоритм импорта схемы и настройка компонентов аналогична процессу, который описан в п. 2.2.1.2 для SI анализа, особо важным пунктом является обязательное наличие линии, которая определена как power и GND. Также можно указать тип источника и его напряжение, в данном случае для коннектора P1, для этого его необходимо определить, как I/O устройство, после чего в поле “Model” выбрать тип источника, в данном случае (рис. 41) – источника напряжения 7 В.

Рис. 41. Окно настройки типов источников

30

Для того, чтобы начать анализ целостности линии питания необходимо в верхнем поле выбрать PI Analysis, после чего в открывшемся окне выбрать исследуемые шины питания (возможно выбрать только проводники, для которых определен тип – power), после чего указать частоту и количество точек в частотном диапазоне для моделирования (рис. 42). После этого можно запустить процесс моделирования, результатом которого будет график зависимости значений импедансов от частоты, но для более детального анализа необходимо настроить построение картины сопротивлений на проводниках.

Рис. 42. Настройки моделирования PI

Для более четкого определения, в каких местах печатной платы возникают максимальные сопротивления, следует настроить отображение полей, для этого нужно перейти во вкладку Specials -> Spatial Impedance Plot, после чего сделать чекбокс “Generate plot” активным (рис. 43), также необходимо выбрать слой, на котором будут построены картины полей, еще очень важным является пункт “Only plot at impedance extrema”, при активации которого будет построено значительно меньшее количество картин полей, так как будут выбраны только максимальные и минимальные значения параметров.

Рис. 43. Настройки отображения картины полей

31

Запустив моделирование, будут получены итоговые результаты, так для того, чтобы увидеть график импедансов, требуется переключиться на вкладку

“Schematic” -> Blocks -> Impedances, в данном случае, для удобства, графики для печатных плат с рис. 39 и 40 отображены вместе – рис. 44.

Рис. 44. Зависимость значения импеданса от частоты, графики

с пометкой «Normal» – соответствуют рис. 39; «Thin» – соответствуют рис. 40

По полученным графикам отчетливо видно, что при использовании тонких проводников (Thin) значение импеданса возрастает в сотни раз, так, для цепи питания первой микросхемы U1-16(VCC)-8(GND) максимум для увеличенной ширины проводника – 3,2 кОм на частоте 874 МГц, а для тонких проводников – 210 кОм на частоте 627 МГц, разница в 66 раз! При этом, если выбрать одинаковую частоту – 874 МГц, то сопротивление печатной платы с тонкими соединителями составит 5,7 кОм. Аналогичная картина наблюдается и для остальных цепей питания.

Теперь произведем для выбранной ситуации анализ картины сопротивлений – рис. 45 и 46. Заметно, что для первого случая (рис. 45), когда проводники имели достаточно большую ширину, зона высокого сопротивления возникла в местах, где происходило постепенное заужение проводника, таким образом картину можно улучшить, если, например, этого избежать или сделать заужение более плавным.

Рис. 45. Картина импедансов для линии питания U1 при широких проводниках

32

Для узких соединительных цепей ( рис. 46) картина сопротивлений выглядит значительно хуже, так как высокий импеданс распространяется не только на саму шину VCC, но и на соседние линии питания, а также на цепи возврата – земляные, в данной ситуации можно дать лишь один совет – кардинально пересмотреть ширину проводников.

Рис. 46. Картина сопротивлений при максимально узких проводниках

Данный компонент моделирования является одним из самых важных в комплексном изучении ЭМС печатной платы, так как с ростом частот электроники резкие всплески имепедансов цепей питания приводят не только к нарушению стабильности работы, но и к росту опасности выхода устройства из строя.

Моделирование падений напряжения в цепях питания (IR Drop)

Данный анализ является самым новым из всех методов моделирования, который были описаны выше. Так, целью данного исследования является проанализировать падения напряжения на линиях питания и заземления по заданному потреблению тока на интерактивных устройствах (I/O). Для того, чтобы реализовать данный вид моделирования требуется обязательное присутствие шины, которая будет определена, как “Power”, также обязательно наличие заземления (GND) и компонента, который будет указан в роли источника напряжения.

Пример такого моделирования будет проведен на достаточно простой схеме (рис.47), на основе которой будет сформирована печатная плата– рис. 48.

33

Рис. 47. Принципиальная схема для исследования IR-Drop

Рис. 48. Исследуемая печатная плата

Для печатной платы было определено правило – ширина проводника шины питания и линии заземления – 1,22 мм, также изгибы на шинах были созданы для моделирования дополнительных потерь на излучение. Для экспорта файлы были сохранены в формате ODB++, после чего был произведен импорт в CST PCB Studio. Алгоритм настройки слоев и линий соответствует процедуре, описанной на рисунках 9, 10. Однако в алгоритме настройки необходимо задать источник напряжения – BT1, с номиналом 5 В, для этого элемент BT1 необходимо указать, как I/O устройство, а в поле модель – Voltage Source (источник напряжения), таким образом итоговая модель будет определена, как на рис. 49.

34