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2020年第6期 安全与电磁兼容
引言
多层PCB 设计的电源分配系统中，电源与地平面占据了PCB 叠层的大部分面积，电源与地间的平面电容能为高频噪声去耦，为信号提供回流路径。电源和地平面构成一个谐振腔体，不同的频率下展现不同的阻抗特性，在谐振频率下阻抗达到峰值，也会产生电压噪声峰值，从而引起电磁辐射干扰。 许多研究者通过Cadence Sigrity 或Ansys SIwave 软件对多层PCB 的电源和地平面进行谐振效应仿真，但没有进行优化设计和前后对比。本文使用Cadence Sigrity 软件，不仅从电源和地平面间的谐振电压噪声和阻抗特性两个维度对谐振效应进行仿真和评估，并在此仿真平台的基础上进一步探讨最优的设计方法。
1 电源与地平面间谐振电压噪声的仿真
Cadence Allegro 绘制的开关电源模块PCB 仿真模型如图1。
如图1（b），开关电源模块为四层板结构，主要由Top、Gnd、Power、Bottom 层组成，Top、Bottom 层主要为走线层，Power 层、Gnd 层分别连接开关电源模块输
出端口的V CC 、地。根据相邻平面产生谐振效应的原理，仿真主要针对Power 和Gnd 层的谐振电压噪声和阻抗特性，主要流程如图2。
摘要
多层PCB 板中的电源与地平面间的谐振效应会引发电压噪声及电磁辐射问题。利用Cadence Sigrity 软件，从电源和地平面间谐振电压噪声和阻抗特性两个维度对谐振效应进行了评估。通过控制变量，对比不同PCB 设计下的仿真结果，发现增加去耦电容、减小平面间距和合理的平面分割方式可以降低谐振效应。关键词
电源和地平面；谐振电压噪声仿真；阻抗仿真；Cadence Sigrity 软件；PCB 设计Abstract
The resonant effect between power supply and ground plane in multilayer PCB will cause voltage noise and electromagnetic radiation. Cadence Sigrity software is used to evaluate the resonance effect from the two dimensions of resonant voltage noise and impedance characteristics between power supply and ground plane. By comparing the simulation results of different PCB designs with the control variables, it is found that the increase of decoupling capacitance, the decrease of plane spacing and the reasonable plane segmentation can reduce the resonance effect.
Keywords
power supply and ground plane; resonant voltage noise simulation; impedance simulation; Cadence Sigrity software; PCB design
电源与地平面间谐振电压噪声和阻抗特性仿真
Simulation of Resonance Voltage Noise and Impedance Characteristics Between Power Supply and
Ground Plane
北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院 高成 寇震梦* 黄姣英
（a）开关电源模块PCB
（b）PCB 叠层结构
图1
开关电源模块仿真模型
基金项目：技术基础科研项目（JSZL2017601B011）
66SAFETY & EMC No.6 2020
加载图1的PCB 模型至Cadence Sigrity 模块并检查叠层结构，定义进行仿真的两个平面为Gnd 层和Power 层。仿真频率设置为1 Hz~2 GHz，可以涵盖PCB 模型大部分区域的谐振现象。选中PCB 板的Power 层 （图1（a）右下角的红部分）作为观察对象，图3为该部分PCB 板谐振频点下的谐振电压噪声三维仿真结果。
图3中不同颜曲面的起伏反映Power 层观察区域各点电压噪声的分布，起伏越大表示电压噪声越大，谐振效应越明显。黑圆孔部分为PCB 板上过孔及器件所在的位置，蓝部分代表电压基准平面，向上突起的绿曲面对应较大的电压噪声，是谐振效应较强的位置。图3左侧电压噪声标尺的颜由蓝向绿，对应的电压噪声逐渐升高，根据标尺读值，该频点下的电压噪声分布在8.73~43.67 mV 之间，峰值为43.67 mV。
为验证仿真的有效性，采用Ansys SIwave 对该PCB 模型进行了同样的仿真。两个软件在几个固有频率下的电压噪声峰值对比见表1。
Ansys SIwave 与Cadence Sigrity 仿真得出的固有频率、电压噪声峰值基本一致，因为软件计算方法的不同，仿真结果存在较小的偏差。证明Cadence Sigrity 仿真结
超高压电容果有效。
为进一步优化设计，对比了JLC2313和JLC7628两种不同叠层结构下的谐振电压噪声，叠层设置见表2。
通过调整压合PP 层和芯板层的厚度，保证PCB 板整体厚度不变，将电源和地平面间的距离作为单一变量。JLC2313型、JLC7628型叠层结构的两平面间距分别为1.265 mm、1.065 mm，不同叠层结构谐振产生的电压噪声仿真结果见表3。
对比发现，JLC7628型叠层结构谐振电压峰值较小。这是由于电源板层和地层构成了一个电容，其数值C 可由电容公式（1）计算：
0r A C h
εε=××
（1）
式（1）中，A 表示平面面积，h 表示平面间的距离。相比于JLC2313结构，JLC7628结构的电源与地平面间的距离h 更小，电容值更大，滤波作用更明显，电源和地平面之间的谐振效应更弱，电压噪声峰值较小。
2 电源与地平面间阻抗特性仿真
电源模块的电源和地平面阻抗仿真的主要流程与图2相同，只是最后观察输出端口的阻抗特性。
将PCB 模型加载至Cadence Sigrity 模块并检查叠层结构，定义电源和地平面为仿真平面，开关电源模块的输出端口为观察阻抗特性的端口，运行仿真后的Z 参数
表1
电压噪声峰值
表2
叠层设置
表3
不同叠层结构的谐振电压噪声峰值仿真结果图2
谐振电压噪声仿真流程
图3 PCB
板某频点谐振电压噪声仿真结果
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（阻抗特性）如图4（黑线），365 MHz 达到阻抗峰值。电源和地平面构成的谐振腔体存在多个固有频率，固有频率时的阻抗最大，这个固有频率与电源和地平面的形状、介质参数有关。在200 MHz 左右阻抗2.5 Ω，365 MHz 是电源与地平面之间的谐振频率，因此出现了阻抗峰值28.34 Ω。
表4为使用Ansys SIwave 软件仿真得到的阻抗特性。对比图4及表4，没有去耦电容时，两种仿真软件在相同频点下得到的阻抗特性基本一致，证明了Cadence Sigrity 仿真方法的有效性。
合理布置去耦电容，可以对电源与地平面间阻抗特性进行优化。在开关电源的输出端口并联两个470µF、100 nF 的去耦电容，并联电容和电源地平面一起构成新的电容结构。加入去耦电容前后的电源与地平面间的阻抗特性仿真比较如图4。添加去耦电容后，200 MHz 的阻抗降为0.56 Ω，较没有去耦电容的2.5 Ω下降了77.6%；谐振频率变为583 MHz，阻抗峰值为3.87 Ω，较没有去耦电容的阻抗峰值下降了86.3%。
3 电源与地平面不同分割模式下的谐振电压噪声和阻抗特性对比
电源与地平面的分割优化设计实际上是针对电源和地平面的不同面积和位置的覆铜方式，不同的覆铜方式下，会形成不同的谐振腔体结构，对开关电源模块电源和地平面的谐振效应和阻抗特性都会产生一定的影响。
（1） 平面分割模式1
第一种方案为电源平面和地平面均进行小面积覆铜处理，如图5。红部分为开关电源模块的输出端口正极所连接的电源平面，青部分为开关电源模块输出端口负极所连接的地平面，颜介于两者之间的为电源
与地对应上下层的投影重叠区域。在这种分割模式下，电源和地平面间的谐振和阻抗特性分析的部分仿真结果如图6。
观察图6仿真结果可以发现，在470 MHz 谐振频点下的电压噪声分布在5.1~51.6 mV，阻抗峰值为193.34 Ω。
（2） 平面分割模式2
第二种覆铜方案为电源与地对应上下层大面积覆铜处理，图7红部分为电源层覆铜，绿和青部分为地层覆铜。
这种分割模式有效增大了电源和地平面的面积，并且覆铜位置更加合理。由公式（1）可知，增加面积能够增大电容数值，降低阻抗特性，同时降低谐振电压噪声。电源和地平面间的谐振电压噪声和阻抗特性部分仿真结果如图8。
观察图8可以发现，在475 MHz 谐振频点的电压噪声分布在4.5~25.1 mV 之间；阻抗峰值降至152.37 Ω。
表4
阻抗特性
图4
添加去耦电容前后阻抗特性仿真对比
图5 平面分割模式
1
图6 平面分割模式1仿真结果
（a）谐振电压噪声
（b）阻抗特性
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（3） 平面分割模式3离子风机aryang
第三种覆铜方式为电源与地平面大面积覆铜处理，同时在Bottom 层覆对应Gnd 属性的铜，如图9，蓝层为新增的Bottom 层的覆铜，红为电源层覆铜，绿为地层覆铜。
这种分割方式有效的改善电源和地平面之间的谐振腔体结构，电源和地平面的谐振电压噪声和阻抗特性部分仿真结果如图10。
由图10（a）可知，在谐振频点395 MHz 时电压噪声分布在2.4 mV 左右，阻抗峰值进一步降至25.87 Ω。
三种分割模式中多种谐振模式下的电压噪声峰值
图7 平面分割模式
2
图8 平面分割模式2仿真结果
（a）谐振电压噪声
（b）阻抗特性
图9 平面分割模式
3
图10 平面分割模式3仿真结果
（a）谐振电压噪声电容噪声
（b）阻抗特性
表5
三种分割模式下的电压噪声峰值
对比见表5。可以发现，第三种分割模式电源和地平面大面积覆铜能够最大程度降低电源和地平面间的电压噪声峰值，降低谐振效应。三种分割模式下的阻抗峰值分
别为193.34 Ω、152.37 Ω、25.87 Ω，第三种分割模式下阻抗峰值最低，但这种分割模式下的阻抗峰值仍然属于较高水平，这是因为本文采取的是控制独立变量的对比方式，在没有加入去耦电容的情况下，阻抗峰值仍会保持较高的数值。
4 结语
谐振效应产生的电压噪声和电磁辐射效应，会对其他电子设备产生严重危害。对开关电源模块进行的电源与地平面间谐振电压噪声和阻抗特性的定量仿真和评估表明，在第三种平面分割模式下，谐振电压噪声及谐振效应明显降低，但仍存在较高的阻抗峰值，可综合使用添加去耦电容、减小平面间距等
优化方法降低阻抗峰值。谐振效应的相关因素还包括PCB介质材料、PCB上走线和器件的布局等，未来可通过研究以上因素的优化方法进一步降低谐振效应。
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编辑：刘新霞
（上接第33页）主回路的常闭继电器发生动作，切断主回路，并在冲击结束后接通电路，起到了较好的保护作用。
4结语
通过分析电磁脉冲武器的作用机理，有针对性地加强了某大口径舰炮的电磁兼容设计，测试结果表明，采取的措施有效，特别是三级组合式保护器起到了较好的保护效果，可保证该大口径舰炮装备在强电磁冲击环境中正常工作，大大提升了该舰炮武器控制系统的工作可靠性。但本文只是定性描述了所采取措施的防护效果，并未对场强衰减程度进行定量分析，下一步工作可针对受试控制箱开展仿真计算与箱体内部的场强测试，定量评估防护措施的防护效果并进一步有针对性地提升装备的抗强电磁冲击性能。
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编辑：余琼 E-mail:***************
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