在數(shù)字電子產(chǎn)品和有線通信的發(fā)展中，基于Maxwell方程組的電磁（Electromagnetic，簡稱EM）解算器被證明是非常有價(jià)值的。原因簡單明了，電氣工程師需要了解當(dāng)受到動(dòng)態(tài)或變化信號(hào)激勵(lì)時(shí)，電路或電氣互連的反應(yīng)。在信號(hào)完整性領(lǐng)域，通過直流連接性測(cè)試的互連也可能在更高頻率下完全失效。在電源完整性領(lǐng)域，即使是測(cè)量到正確直流電壓的電源軌在施加動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)，也可能會(huì)進(jìn)入振蕩。應(yīng)該學(xué)會(huì)使用EM仿真器這項(xiàng)基本技能，可以在幾分鐘內(nèi)獲得定性答案，并在幾天內(nèi)獲得更高保真的答案，這就是因產(chǎn)品故障而導(dǎo)致夜不能寐的不良設(shè)計(jì)與具有較大設(shè)計(jì)裕度的穩(wěn)健設(shè)計(jì)之間的區(qū)別。

圖1: PathWave ADS SIPro和PIPro等3D EM仿真器可以輕松選擇網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)分配端口，實(shí)現(xiàn)快速EM設(shè)置及仿真。右圖的DDR4 DIMM板EM電流密度結(jié)果顯示了在10 kHz下，功率由J1邊緣連接器傳遞，但在更高的10 MHz頻率下，功率由板載電容傳遞。

從始至終，EM仿真器一直在尋求精度和速度之間的平衡，以“網(wǎng)格化”三維結(jié)構(gòu)來獲得正確答案。在尋找Maxwell方程組的最終解時(shí)，無論是在有限元法（finite element methods，簡稱FEM）的頻域中，還是在時(shí)域有限差分法（finite difference time domain，簡稱FDTD）的時(shí)域中，用戶界面都非常復(fù)雜。設(shè)置端口、邊界條件和網(wǎng)格拓?fù)淇赡軙?huì)給高級(jí)用戶帶來額外的靈活性。對(duì)大多數(shù)人來說，我們需要自動(dòng)化來減少重復(fù)性任務(wù)。

圖2：示意圖中是算法傳輸線模型的簡單級(jí)聯(lián)，可了解更寬的走線電容不連續(xù)性或更窄的走線電感不連續(xù)性對(duì)高頻信號(hào)傳輸所產(chǎn)生的影響。

好消息是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的處理速度和內(nèi)存成本低，使得在提高速度的同時(shí)更容易保持精度。這增加了對(duì)特定應(yīng)用用戶界面進(jìn)行優(yōu)化的投資，如模擬多層層壓PCB設(shè)計(jì)。改進(jìn)的用戶界面，如Keysight的PathWave ADS SIPro和PIPro，依賴于強(qiáng)大的EDA PCB CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入，其中包括堆疊、網(wǎng)絡(luò)和元件，以便選擇網(wǎng)絡(luò)和實(shí)際元件進(jìn)行仿真。端口可以自動(dòng)分配，默認(rèn)網(wǎng)格和邊界條件，使用戶能夠在幾分鐘內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行EM仿真。

然而，“垃圾輸入等于垃圾輸出”，以下是確保仿真器適當(dāng)設(shè)置的技巧。

Eric Bogatin的提示：通過將復(fù)雜的EM模型轉(zhuǎn)換為簡單的傳輸線級(jí)聯(lián)和集總元件，快速了解預(yù)期結(jié)果。

Lee Ritchey的提示：通過創(chuàng)建機(jī)械測(cè)試結(jié)構(gòu)，將走線布到每一層的電路板邊緣，以目視檢查層與層之間的對(duì)準(zhǔn)、走線蝕刻寬度和層壓層的機(jī)械高度，了解最終結(jié)果。

我最喜歡的測(cè)量領(lǐng)域技巧：測(cè)量一些簡單的東西，如階梯阻抗轉(zhuǎn)換（Beatty標(biāo)準(zhǔn)），以驗(yàn)證介質(zhì)材料的性能，檢查機(jī)械尺寸與算法模型和測(cè)量的關(guān)系。

SI及 PI領(lǐng)域的提示：查看時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)。

最后，將模型投入使用，檢查對(duì)制造和元件公差的敏感性。

圖3：通過左下角圖中顯示的時(shí)域阻抗反射的基本方程，很容易理解左上角的簡單階梯阻抗Beatty測(cè)試結(jié)構(gòu)。電路板邊緣的走線有助于驗(yàn)證制造的疊層尺寸。右下角是模擬S參數(shù)的頻域EM，該參數(shù)可轉(zhuǎn)換為TDR數(shù)據(jù)的時(shí)域。

用于PCB設(shè)計(jì)的EM仿真器的速度、準(zhǔn)確性和易設(shè)置性使得盲目利用數(shù)據(jù)表及已有設(shè)計(jì)變得不易被接受。當(dāng)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)操作性能時(shí)，工程師需要將EM仿真添加到他們的檢查表中。隨著電源軌電壓不斷降低的數(shù)千兆位電子產(chǎn)品其密度和速度的增加，簡單的直流檢查和沒有PCB寄生的集總SPICE建模已不足以滿足要求。

Heidi Barnes是Keysight Technologies公司高速數(shù)字應(yīng)用高級(jí)應(yīng)用工程師。她擁有5項(xiàng)專利，獲得了美國宇航局Snoopy銀獎(jiǎng)。

審核編輯：湯梓紅