PowerSI EMC/EMI 辐射仿真-在 PCB 送测前提前发现风险

01

这个流程主要用于分析 PCB 或封装结构在工作时可能产生的电磁辐射。比如：

• PCB 哪些走线容易产生辐射？

• 板边、走线、wirebond 是否可能成为辐射源？

• 某些频率下 EMI 是否明显增强？

• 电源/地网络被激励后，板子周围的电场分布如何？

• 产品正式送测前，能不能提前发现 EMC 风险？

所以它不是单纯的电源完整性分析，也不是只看 PDN 阻抗，而是更偏向 EMC/EMI 辐射合规风险分析，如图2。

图2 PowerSI EMC/EMI Radiation分析

02

第一步是在 PowerSI 中导入 PCB layout 文件。导入 layout 的目的，是让软件读取真实 PCB 的物理结构，包括走线、焊盘、过孔、电源地平面、板边和器件连接关系。EMI 辐射和 PCB 物理结构关系非常密切，所以仿真必须基于实际 layout，而不是只看原理图，如图3。

图3 Layout图

导入 Layout 后，需要切换到：EMC/EMI Simulation (Radiation)；也就是电磁辐射仿真工作流，如图4。

切换之后，PowerSI 会按照 EMC/EMI 分析的逻辑，提供对应的操作步骤，例如检查 Stackup、选择 Nets、设置 Excitation、设置 Frequency、运行仿真和查看 Radiation 结果。这一步很重要。如果没有切换到正确 Workflow，后面可能找不到 Show Radiation View，或者打开后没有结果数据。

图4  切换EMC/EMI Simulation (Radiation)

接下来需要检查 Stackup，也就是 PCB 层叠结构。这里主要看：

• 信号层在哪里

• 电源层在哪里

• 地层在哪里

• 介质厚度是多少

• 材料参数是否正确

• 铜厚、层间距离是否合理，检查界面，如图5。

图5 检查 PCB 层叠结构

因为 EMI 辐射与信号回流路径、电源地平面、介质参数、走线参考层关系很大。如果信号线没有良好的参考平面，或者电源/地平面设计不合理，就容易产生较强的电磁辐射, 所以在做 EMC/EMI 仿真前，必须先确认 stackup 信息是否正确。

下一步是选择 Power/Ground nets。简单说，就是告诉软件：

• 哪些网络是电源网？

• 哪些网络是地网？

例如，VDD 通常被归类为电源网络，GND 通常被归类为地网络。设置界面，如图6。

图6 Select Nets：选择电源和地网络

如果电源网和地网没有正确分类，后面的 Excitation 激励源就可能加错位置，仿真结果也会不准确。对于 EMI 分析来说，电源/地网络非常关键。很多辐射问题都和电源噪声、地弹、回流路径不连续、电源平面谐振有关。

设置 Excitation 是整个流程中的关键步骤。Excitation 可以理解为：给仿真模型施加一个源，让软件计算 PCB 在这个激励下会产生怎样的电磁辐射。如何在 VDD 和 GND 之间建立激励。可以如下设置：

正端网络：VDD

负端网络：GND

激励源：V_source 或 NewExcitationCkt

激励幅度：AC current source = 1A，如图7

图7 Setup Excitation：设置激励源

这里需要注意：V_source 并不是 PCB 上真实存在的器件，而是 PowerSI 为了仿真创建的虚拟激励源。它的作用是模拟电源网络被驱动后的响应，从而观察 PCB 在不同频率下的辐射情况。

EMI 问题通常和频率强相关。某些设计在低频可能没有明显问题，但在几百 MHz 或 GHz 附近可能出现明显辐射峰值。所以需要设置频率扫描范围。

示例设置，如图8。

Starting Freq.：1 Hz

Ending Freq.：2 GHz

Sweeping Mode：Linear

Freq. Increment：10 MHz

图8 Setup Simulation Frequencies：设置仿真频率

这样软件就会从低频扫到高频，分析不同频点下的辐射表现。工程师可以通过结果判断：哪些频率段风险较高，哪些频点可能需要重点关注。

在运行仿真之前，需要检查 excitation。这个步骤主要确认：

• 正端网络是不是 VDD

• 负端网络是不是 GND

• 激励源是否已经创建

• 激励幅度是否正确

比如窗口中看到：

Pos Net：VDD

Neg Net：GND

Component from source：NewExcitationCkt1

Amp(A)：I 1 2 AC=1 ，如图9。

图9 Check Excitations：检查激励是否正确(其中 I 表示电流源，1 和 2 是源模型的两个端子，AC=1 表示交流激励幅度为 1A

这就表示软件已经在 VDD 和 GND 之间加入了一个 1A 的交流电流激励源。这一步相当于正式仿真前的确认，避免源设置错误导致结果不可信。

设置完成后，就可以运行 simulation，如图10。

图10 仿真按钮和普通输出信息窗口

PowerSI 会根据 PCB layout、Stackup、电源/地网络、激励源和频率范围，计算不同频率下的电磁辐射结果。运行完成后，软件会生成 Radiation 相关结果，用于后续查看和分析。

仿真完成后，可以打开 Radiation View。这个视图里通常有几个重要页签：

Setup

用于选择要观察的对象，比如 Trace、Edge ，如图11。

图11 Setup窗口

FCC

FCC 页签用于查看固定观察点或圆柱观察面上的辐射结果，并可与 Class A / Class B 等限值线进行对比，帮助工程师判断特定频率点的辐射水平是否接近或超过 EMC 限值 ，如图12。

图12 FCC窗口

Pattern

用于查看 E_theta、E_phi 等方向上的辐射图形，帮助分析辐射方向性，如图13。

图13 Pattern窗口

Near-field

用于查看 PCB 周围近场分布，帮助工程师判断哪些区域电磁场较强。

这些结果可以把 EMI 问题从一个抽象的测试数值，转化为和具体 PCB 区域相关的可视化结果，如图14。

图14 Near-field窗口

03

PowerSI EMC/EMI Radiation 仿真的价值，不只是“跑一个结果图”。它真正帮助工程师解决的是：

• 送测前提前发现辐射风险；

• 定位可能产生 EMI 的走线、板边或区域；

• 分析某些频率点辐射增强的原因；

• 减少 EMC 测试失败后的反复整改；

• 降低重新打样和重新测试的成本；

• 提升产品一次通过测试的概率。

对于高速 PCB、通信板卡、服务器、存储模块、汽车电子、工业控制和高频数字系统来说，EMC/EMI 已经不能只等后期测试发现问题，而应该在设计阶段就提前评估，如图15。

图15 PowerSI EMC/EMI Radiation 仿真的价值

04

普通 PowerSI PI 仿真更关注电源完整性分析，主要用于评估 PDN 阻抗、提取 S/Z/Y 参数、优化去耦电容配置，并分析 IR Drop 等电源网络问题。相比之下，PowerSI EMC/EMI Radiation 流程更关注电磁辐射和 EMI 风险，主要用于查看 PCB 的近场/远场结果、FCC 观察点辐射水平、辐射方向图，以及在送 EMC 测试前提前判断潜在的辐射风险。

PI 仿真关注电源网络是否稳定，EMI Radiation 仿真关注 PCB 是否可能产生过大的电磁辐射对比，如图16。

图16 PowerSI PI和PowerSI EMC/EMI Radiation 仿真对比

05

EMC/EMI 问题越晚发现，整改成本越高。PowerSI EMC/EMI Radiation 仿真可以把后期测试中才可能暴露的辐射风险，提前放到设计阶段进行分析。通过 PCB layout、stackup、电源/地网络、excitation 和频率扫描结果，工程师可以更早发现 EMI 风险，并用仿真数据指导 PCB 优化。钛闻软件也持续关注高速 PCB、SI/PI 以及 EMC/EMI 仿真应用，希望通过专业工具和技术服务，帮助工程师缩短验证周期、降低测试失败风险，提高产品可靠性。

拥有 20 年 PCB 设计经验，精通 Cadence Allegro 平台相关模块。主导过多个 PCB 项目，覆盖通信终端、汽车电子、医疗电子、芯片验证和应用等多个行业。基于多年实战经验，尤其在 ECAD 设计领域，善于为客户提供切实可行的解决方案。

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