ANSYS电磁兼容仿真软件解析.docx

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ANSYS电磁兼容仿真软件解析

ANSYS电磁兼容仿真设计软件

用途：

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

1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。

2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。

3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DesignerSI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、PCBSI/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DesignerSI（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

forEDA，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DesignerSI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