電子產品如何克服PCB電磁干擾、掌握電源及訊號完整性

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今天來聊聊Dassault Systèmes達梭系統提供的高科技電子設計分析解決方案。

現代的電子裝置內部,有大量的高速資料(data shuttles)在進行傳輸。這構成了許多設計上的挑戰:我們是否給予產品內部元件有足夠的驅動電能?當訊號流經PCB時,其訊號完整性(SI)如何?產品能否通過EMC規範?(圖1)

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圖1

我們是否給予了產品中元件足夠的驅動電能?

首先要釐清PCB是否已經被正確地設計,並能夠傳輸足夠的電能。CST Studio Suite的PCB設計規則檢查工具,可以根據定義後的設計規範幫助找出PCB上不吻合、極可能不正確的設計(圖2)。

舉例來說,過窄的訊號路徑會產生較高的傳輸阻抗,進而導致較大的功率下降;透過PCB設計規則檢查工具找到該些線路路徑(圖3)。其後,可以在設計上把它們加寬,消除違反PCB設計規則的疑慮(圖4),進而優化電氣特性。

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圖2
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同樣延伸自產品的電源特性議題,為了確認目前開發的產品是否在所有頻率下都符合目標阻抗要求。使用者可以使用CST Studio Suite進行電源完整性(Power Integrity, PI)分析。

當發現在特定頻率之下,模擬結果不如預期且不符合目標阻抗時(圖5),別擔心,使用者可以搭配去耦合電容分析工具,進行阻抗結果的最佳化,甚至連設計成本都可以被考慮進去(圖6)。

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圖5
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圖6

在高速訊號領域,使用者非常關心3D模擬的解決方案。CST Studio Suite可以把EDA檔案轉換成3D模擬介面及環境(圖7),讓工程師可以方便地進行3D模擬。

在3D模擬中,關乎模擬的時長與網格精確度,是非常重要的一個議題;CST Studio Suite提供了TLM(Transmission Line Matrix Method)的網格模擬技術,可以用較少的網格完成高精確度的模擬(圖8),大幅減少了計算工時,幫助工程師爭取許多寶貴的時間。

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圖7
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圖8

當訊號流經PCB時,其完整性如何?

材料損耗、色散(Dispersion)與串擾(CrossTalk)都將會影響訊號的完整性,導致較高的位元錯誤率(Bit Error Rate);我們可以透過CST Studio Suite進行眼圖(Eye Diagram)分析(圖9),掌握當前PCB上訊號的平整與穩定度。

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圖9

開發的產品能否通過EMC規範?

當嘗試用實測的方式去評估異常的輻射,將是相對耗時、高成本的作法(圖10)。透過CST Studio Suite模擬,可以在3D模擬環境中設置許多探針(Probe),並進行虛擬的輻射檢測(圖11)。

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圖10
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圖11

關於EMC中的耐受性分析(Susceptible),CST Studio Suite可以很容易地模擬出,在有或無電磁屏蔽(Shield)設計時,兩者結果間的差異(圖12)。此外,靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)也是對PCB的線路與元件時常造成傷害關鍵問題。在CST Studio Suite讓我們可以透過表面電流來評估靜電放電對產品可能造成之影響(圖13);而透過模擬分析來選擇或實施有效的解方來改善問題,也是能夠大幅降低開發成本的關鍵所在。

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圖12
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圖13

CST Studio Suite在電子領域中,應用範圍相當廣泛,無線充電(Wireless Charge)、壓電觸控感應器(Haptic Actuator)也都是現代高科技產品中大量被運用的技術,而CST Studio Suite電磁模擬軟體都能夠進行精準的分析。

綜觀全文,開發設計一個符合時代的新興電子產品,完全可以依照前述思維逐步被分析、優化,最終量產到消費者手中。CST Studio Suite在研發過程中不僅扮演舉足輕重的角色,也能夠為開發工程師或者研究單位帶來巨大效益。

關鍵字:SI(訊號完整性)、PI(電源完整性)、EMC(電磁相容)、PCB設計、靜電放電(ESD)