Identificazione delle EMI in campo vicino nella rete di distribuzione dell'alimentazione di un PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: May 3, 2022
Identificazione delle EMI in campo vicino nella rete di distribuzione dell'alimentazione di un PCB

Qualsiasi prodotto elettronico destinato alla certificazione FCC o CE deve superare i test sulle emissioni irradiate e EMC. Se tale prodotto non supera questi test, identificare le fonti dell'eccessiva interferenza elettromagnetica (EMI) irradiata può risultare complicato. I progettisti PCB spesso ricorrono a misurazioni in campo vicino tramite la sonda di un oscilloscopio per identificare i componenti o le aree della scheda che causano l'anomalia, nonché il contenuto di frequenza delle EMI irradiate. I progettisti devono quindi fare affidamento sulla loro esperienza per mettere in relazione le radiazioni associate a frequenze specifiche con le varie fonti di EMI.

Tutto ciò richiede tempo, impegno ed esperienza specializzata per identificare le fonti di EMI e proporre soluzioni per la risoluzione del problema. L'alternativa è quella di utilizzare un field solver per simulare direttamente l'EMI in campo vicino in una scheda PCB, nonché valutare potenziali soluzioni ai problemi correlati. Calcolando il campo elettromagnetico emesso da diverse regioni in un PCB. Infatti un field solver può essere utilizzato per individuare un problema di interferenza elettromagnetica su un'area specifica della scheda prima di procedere con il lancio di un prototipo. Ciò è decisamente importante in quanto, ogni volta che è possibile identificare e correggere un problema di EMI nel PCB prima della messa in produzione, si riducono i costi di sviluppo e i tempi di commercializzazione.

Con il pacchetto Ansys SiWave®, puoi accedere a numerosi field solver integrati che ti consentono di esaminare l'integrità del segnale e dell'alimentazione e di analizzare le EMI (interferenze elettromagnetiche). Altium Designer® offre, tramite l'estensione Ansys EDB Exporter, una perfetta integrazione con SiWave, grazie alla quale i progettisti possono eseguire queste analisi direttamente dai dati del layout. Per osservare il funzionamento di questa soluzione, esamineremo un esempio di un progetto PCB di Altium Designer e come sia possibile identificare un'EMI eccessiva in campo vicino da una serie di risultati di simulazione.

Webinar di Ansys e Altium sulle EMI


Analisi delle EMI in campo vicino per una PDN

Per l'analisi delle EMI in campo vicino con Ansys SiWave utilizzeremo progetto di esempio "Mini PC" in Altium Designer. Questa particolare scheda contiene più interfacce ad alta velocità e ognuna di queste potrebbe riscontrare problemi di integrità dell'alimentazione o di integrità del segnale. Dopo aver importato la geometria e il layout della scheda in SiWave, è possibile utilizzare una soluzione a onda intera nel dominio della frequenza per identificare le fonti di EMI in campo vicino nella scheda del Mini PC.

  • FPGA Intel Arria 10 
  • 2 chip DRAM DDR4 da 8 GB integrati, frequenza 1866 MHz
  • 2 slot di espansione SODIMM per moduli RAM DDR3/4
  • USB 3.0, Ethernet 10/100/1000Base, PCIe

Ognuno di questi componenti ad alta velocità e le interconnessioni tra di loro possono fungere da fonte di EMI in campo vicino se non vengono disposti correttamente. Per identificare eventuali fonti di EMI nella scheda PCB in fase di attività, lo strumento EMI Scanner in SIwave può essere utilizzato per confrontare automaticamente il layout di un PCB rispetto alle regole di progettazione EMI prima di eseguire simulazioni a onda intera. Ciò consente di identificare le aree problematiche in modo che possano essere ulteriormente ispezionate durante una simulazione a onda intera.

Identificazione delle aree problematiche

Il layout del Mini PC contiene 16 layer con disposizioni multiple piano-segnale-piano per il routing della stripline. A un primo esame del layout in Altium Designer, osserviamo come due connessioni bus con DDR4 stripline (layer 7) facciano riferimento al piano di alimentazione PLL_1V8 (layer 6, fornisce una regolazione da 2,5 V a 1,8 V per l'FPGA) e al piano di alimentazione VDD_DDR (layer 8, fornisce alimentazione ai moduli DDR4). Altre corsie byte si trovano sul layer 5, che utilizza anche i layer 4 e 6 come riferimento GND. Poiché nei piani di alimentazione i percorsi di ritorno sono generati come correnti di spostamento, è necessario che ci sia un percorso di ritorno al potenziale di riferimento a bassa impedenza posto sul piano di massa.

Nel layout Mini PC, l'unico piano nella sezione DDR4 che non ha un percorso di ritorno a terra a bassa impedenza sufficiente è il layer 6, in particolare la rete PLL_1V8. Questo percorso di ritorno a bassa impedenza verso i piani di massa più vicini (layer 4 e 9) potrebbe essere fornito attraverso condensatori di disaccoppiamento. Ci si aspetterebbe, ragionevolmente, che un problema di EMI in campo vicino si presenti da qualche parte in questa regione, in quanto c'è una bassa capacità di interpolare tra PLL_1V8 e le reti GND più vicine sui layer 4 e 9.

La rete PLL_1V8 nel Mini PC è mostrata nella Figura 1. In questa immagine, vediamo una regione nel layout PCB in cui, tramite lo strumento EMI Scanner in SiWave, sono stati identificati percorsi di ritorno discontinui per le reti DDR4. La regione evidenziata nella Figura 1 è la rete PLL_1V8.

Simulazione di EMI in campo vicino
Figura 1: rete PLL_1V8 identificata dall'assenza di condensatori di disaccoppiamento.

Ora che l'EMI Scanner ha contrassegnato questa rete per ulteriori ispezioni, è possibile utilizzare tecniche più sofisticate per verificare se questa violazione delle regole di progettazione EMI causi un problema significativo nella progettazione. A tale scopo, possiamo utilizzare SIwave per:

  1. Identificare le anti-risonanze di impedenza nella porzione PLL_1V8 della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN), in quanto queste potrebbero essere stimolate da correnti di spostamento.
  2. Simulare l'EMI irradiata in campo vicino prima e dopo aver risolto il problema del percorso di ritorno.

Esaminiamo questo aspetto in modo più approfondito utilizzando gli strumenti di simulazione di SiWave.

Corrispondenza tra potenziali frequenze di EMI e anti-risonanze PDN

Il solver ibrido in SiWave può essere utilizzato per estrarre i parametri Z a banda larga per la rete PLL_1V8, consentendo quindi di identificare eventuali anti-risonanze nello spettro dei parametri Z. In questo caso, le risonanze PDN possono essere stimolate se la loro frequenza cade nella larghezza di banda della corrente di spostamento, il che potrebbe produrre una forte oscillazione sulla PDN. Ciò comporterebbe l'irradiazione di un forte campo elettrico nel regime di campo vicino alla frequenza anti-risonante della PDN.

La Figura 2 mostra l'auto-impedenza estratta per la rete PLL_1V8 da 100 kHz a 4 GHz. Si noti che altri solver elettromagnetici Ansys potrebbero essere utilizzati anche per estrarre altri parametri Z per una PDN complessa a ingressi e uscite multipli, come l'impedenza di trasferimento tra PLL_1V8 e qualsiasi altro piano di alimentazione.

Grafico auto-impedenza in simulazione di EMI in campo vicino
Figura 2: auto-impedenza della rete PLL-1V8 estratta con SiWave.

La porzione PLL_1V8 della PDN ha una forte anti-risonanza a 580 MHz, quindi il passaggio logico successivo è quello di studiare l'emissione irradiata in campo vicino in prossimità di quella frequenza. Utilizzando l'opzione AC Solver di SIwave, invece di tentare di modellare percorsi di ritorno discontinui nel dominio del tempo, le emissioni irradiate in campo vicino attraverso il PCB possono essere simulate direttamente nel dominio della frequenza.

Risultati delle simulazione delle EMI in campo vicino

Alcuni risultati iniziali delle simulazioni delle interferenze elettromagnetiche in campo vicino dovute alle correnti di ritorno indotte nella rete PLL_1V8 sono mostrati nella Figura 3. In questa figura, possiamo osservare chiaramente una forte emissione vicino al Q4, il quale alimenta la rete del piano di alimentazione PLL_1V8 (parte in alto a destra della regione mostrata nella Figura 3). Il campo elettrico irradiato (magnitudine) da questa regione è di ordini di grandezza maggiore del campo elettrico di fondo nel resto della scheda. Vediamo anche che questa forte EMI viene irradiata a 580 MHz, corrispondendo esattamente all'anti-risonanza della PDN.

EMI in campo vicino simulata senza disaccoppiare i condensatori
Figura 3: distribuzione delle EMI in campo vicino simulata all'ingresso della rete PLL_1V8.

Questa osservazione ci porta a considerare due possibili soluzioni per ridurre l'EMI irradiata dal segnale PLL_1V8:

  1. Aumentare le dimensioni laterali della coppia piano di alimentazione/massa per fornire una maggiore capacità di interpolare.
  2. Modificare lo stack-up dei layer in modo che le reti DDR non facciano riferimento al piano di alimentazione.
  3. Aggiungere condensatori di disaccoppiamento con alta frequenza di auto-risonanza allo strato superficiale per smorzare l'anti-risonanza nella PDN.

Il terzo percorso è più semplice, poiché seguire i primi due percorsi in un layout finito potrebbe richiedere notevoli modifiche del progetto. Dopo aver aggiunto i condensatori di disaccoppiamento, è possibile eseguire nuovamente la simulazione e confrontare i risultati. La Figura 4 mostra una simulazione della scheda Mini PC dopo l'aggiunta di condensatori di disaccoppiamento sulla rete PLL_IV8 in Altium Designer.

EMI in campo vicino simulata disaccoppiando i condensatori
Figura 4: distribuzione delle EMI in campo vicino simulata dopo l'aggiunta di condensatori di disaccoppiamento.

Questo risultato mostra che il campo elettrico irradiato a 580 MHz nel regime di campo vicino viene ridotto di circa il 70% semplicemente aggiungendo condensatori di disaccoppiamento alla PDN. La risoluzione di questa problematica relativa al PDN non si limita alla risoluzione di un problema di EMI in campo vicino; riduce anche il rumore di fase/jitter accoppiato ad altri componenti collegati alla rete PLL_1V8.

Riepilogo

Il progetto di esempio Mini PC in Altium Designer è stato esaminato in Ansys SIWave per identificare potenziali problemi di EMI in campo vicino ed è stata individuata e corretta un'anomalia importante nell'emissione di interferenze elettromagnetiche in campo vicino. Identificando le risonanze PDN in SIWave e aggiungendo alcuni condensatori di disaccoppiamento alla PDN in Altium Designer, l'impedenza della PDN alla frequenza anti-risonante più forte è stata ridotta, riducendo così il campo elettrico irradiato nel regime di campo vicino di circa il 70%.

L'integrazione fornita da Ansys SIwave e Altium Designer ottimizza questo tipo di processo di simulazione post-layout grazie all'estensione EDB Exporter. I progettisti PCB possono utilizzare questa integrazione per creare PCB avanzati ed eseguire rapidamente simulazioni multifisiche post-layout per i loro progetti.

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Le simulazioni 3D di EMI in campo vicino con PCB reali, senza i giusti strumenti di progettazione e analisi possono essere complesse da preparare ed implementare. Altium Designer può interfacciarsi con Ansys SIwave utilizzando l'estensione Ansys EDB Exporter, fornendoti un modo semplice ma potente per eseguire l'analisi di: integrità dell'alimentazione, integrità del segnale e delle EMI nel dominio del tempo o della frequenza con un'ampia gamma di field solver 3D.

Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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