电子产品PCB设计|电磁兼容性的仿真分析程序FLO/EMC应用介绍

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      在电子产品的设计中，PCB的设计往往是核心任务，PCB设计得好坏很大程度上决定了电子产品的性能。以往，由于运行频率低、元器件密度小，PCB的设计工作相对简单，且能连通也就意味着设计的成功。因此，PCB设计师可以完全采用手工的方式完成原理图和制版。

　　但是，现代电子产品的运行频率越来越高，信号边缘速率加快；产品功能越来越复杂，PCB板的集成规模越来越大，元器件间的间距越来越小，封装方式已经大部分转为BGA、QFP形式。而且，现在产品设计的周期比原来也大为缩短。因此，电子产品的设计师不借助计算机已经很难完成设计。一方面，电路辅助设计软件可以帮助设计师快速完成原理图和三维布局布线，一方面，分析软件可以检验系统的电子干扰和电子兼容性等问题，避免在制版后期才发现类似问题，增加开发成本，延长研发周期。

　　搭建适用的计算机系统

　　当电子产品的设计规模加大，设计任务本身对计算机系统的性能需求也就相应加大，特别是图形子系统的性能更为重要，配置一台能满足设计软件运行需求的计算机对设计效率的提升至关重要。笔者使用如表1所示配置的计算机试着运行两个设计案例，来衡量、评估系统的运算和图形性能能否满足一般电子产品PCB设计的要求。

　　表1 计算机配置情况

　　系统配置基于惠普公司提供的价格低廉的XW 3400图形工作站，采用了AMD公司的高性能皓龙处理器。考虑到设计和分析过程中，对复杂电子产品图形的显示需求，采用了丽台公司的QUADRO FX 1500专业图卡，FX1500板上载有256 MB 256BIT的DDR3显存，属于中端专业图形卡，FX 1500还提供了双dual-link DVI输出借口和高达0.0GB/sec内存频宽。对于大部分二/三维设计软件来说，FX 1500应该都足够应付了。同时，笔者随后仍然采用了入门级的丽台QUADRO FX 560进行试验，以比较两者的运行效果。它们能从容应付电子产品的PCB设计吗？

　　

　　

　　体验应用过程

　　首先，我们在这套计算机系统（FX 1500）上体验使用Protel PCB设计环境下的Design explorer程序。在程序界面中尝试打开一个比较复杂的PCB板三维视图（由于特殊原因，笔者日常工作产生的PCB模型不能用于本次试验，模型来自BENCHMARK库）。文件打开过程非常流程，几乎没有任何停顿。在三视图界面中执行旋转、平移、缩放等操作，也没有任何滞碍。由于Protel PCB设计环境仅仅支持OpenGL图形加速接口，对于不支持专业OpenGL的图卡来说，显示模型的速度和质量恐怕不能得到绝对保证。在同一环境下打开一张二维PCB布局图，由于需要读入元件列表，速度稍受影响。但打开完毕后，运行效果则完全没问题。运行完毕后，换装丽台QUADRO FX 560，结果与FX 1500基本相同。事实证明，Protel PCB设计软件的需求比想象的要低，无论是FX 1500还是FX 560，只要能完美支持专业的OpenGL接口，都能很好地在该软件系统中运行中端甚至更复杂的设计任务。

　　

　　

　　由于原理图的设计完全在二维环境下，其对计算机图形系统的压力不大，如果上述试验没有问题，原理图的设计在这套系统上也可以获得最佳的效能表现。由于现在电子产品设计中，PCB设计所占的时间比例正逐渐增加，一套能稳定出色运行Protel的计算机系统确实十分必要。

　　下面我们将在系统上运行电磁兼容性的仿真分析程序FLO/EMC。对于很多中国电子产品企业来说，电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）恐怕还是最近几年刚刚接触的新概念。EMC是指电力系统、电子系统或电工设备以规定的安全逾度，在指定的电磁环境中按照设计要求工作的能力。EMC是反映电子系统性能的重要指标之一。系统能电磁兼容意味着无论是在系统内部，还是对其所处的环境，系统都能如预期的那样工作。在产品制造之前，利用计算机分析仿真软件对EMC进行预评估，是保证电子产品设计成功率、降低设计成本、避免电磁污染的必要措施。

　　采用分析软件预评估EMC需要系统强大的计算能力和可视化能力，因此对计算机系统的处理器和图卡都有较高的要求。试验使用了52RD的模型，分别进行了屏蔽场、场分布及相位模拟和电磁辐射。如图4、图5。

　　FLO/EMC后处理模块（Postprocessing Module）对图卡性能的需求确实比较大，FX 1500的运行效果比较理想，而FX 560在实时显示场分布和相位情况是，有微弱的停滞发生。FLO/EMC对系统的要求是速度和流畅稳定的运行，对图像质量的要求不高。

　　

　　场分布及相位模拟图

　　

　　辐射方向图

　　结论和建议

　　（1） 总的来看，电子产品在详细设计阶段对图卡的要求不太高，绝大部分情况下，入门级和中端的专业图卡就能满足要求，如本文中采用的丽台QUADROFX 1500和丽台QUADRO FX 560图卡。仅当分析仿真 的规模较大，丽台QUADRO FX 560这样的入门卡才在可视化阶段稍显不足。

　　（ 2 ） 电子产品也涉及外观造型设计，如手机、MP3等消费电子产品，电子产品造型设计的需求和机械产品设计的需求类似，低于汽车和航空航天等领域。丽台QUADRO FX 1500应该可以胜任这一类工作。

　　（3） 大规模的电子产品设计需要较高的内存量，本文使用的计算机配置的2GB DDR2 667内存满足了电子产品设计的需求。