IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 ĐÁNH GIÁ CÁC VẤN ĐỀ EMI/EMC VỚI BẢN MẠCH IN VÀ CÁC CÔNG CỤ HỖ TRỢ Tóm tắt – Bài báo này là một đánh giá toàn diện về bảng mạch in(PCB) với các vấn đề tương thích điện từ (EMC), cùng với các phân tích các kỹ thuật, các giải pháp có thể sẽ được trình bày ở những cuốn sách có quy mô lớn hơn. Đánh giá này cũng đưa ra cái nhìn tổng quát về những lĩnh vực mà công nghệ điều khiển PCB EMC đã thực hiện. Khi tốc độ dữ liệu trên các PCB tăng lên, những vấn đề mới cũng nảy sinh, đòi hỏi kỹ thuật phân tích mới và các giải pháp mới. Và cần có sự phát triển sâu hơn để có thể theo kịp với tốc độ dữ liệu ngày càng tăng, kích thước ngày càng nhỏ. Các thuật ngữ - Electromagnetic interference (giao thoa sóng điện từ - EMI)/electromagnetic compatibility (tương thích điện từ - EMC), EMI/EMC trends (xu hướng EMI/EMC, printed circuit board (PCB) design - thiết kế bảng mạch in, công cụ PCB. I. GIỚI THIỆU Một số lượng lớn thiết kế giao thoa sóng điện từ (EMI) và tương thích điện từ (EMC) đã trải qua những thay đổi đáng kể như tốc độ vi xử lý, xung nhịp và các kết nối truyền thông số ngày càng gia tăng. Một sự hiểu biết tốt hơn về những nguyên nhân sâu xa và nền tảng vật lý đã được thực hiện so với chỉ đơn giản sử dụng các quy tắc EMC thông thường. Các công cụ đã được phát triển cho phép phân tích các bản mạch in PCB tốc độ cao với khoảng 10s các lớp trong khi bất cứ nhà phân tích nào cũng phải mất hàng tháng. Tất cả những tiến bộ trong công nghệ EMI/ EMC đã được yêu cầu để đáp ứng sự đòi hỏi phù hợp cũng như đảm bảo chức năng từ hệ thống bên trong đến sự can thiệp từ hệ thống bên ngoài. Mục đích của bài đánh giá này là quay về thời điểm bắt đầu bắt đầu, xem xét hiện tại và những việc cần làm gì để hướng tới tương lai. Trong bối cảnh công nghệ EMI/EMC đã đi được một chặng đường dài và những thách thức phía trước đầy khó khăn nhưng cũng rất thú vị. Bài báo này được chia làm 5 chủ đề chính. Phần II đề cập tới những năm đầu của EMI/EMC, mà theo tiêu chuẩn hiện nay, chúng tôi xác định trước khoảng thời gian giữa những năm 90. Trong những năm đó, tần số xung nhịp điển hình vẫn ở mức thấp, khoảng 25MHz và các bản mạch in dao động từ 2 đến 4 lớp cho máy tính cá nhân và xấp xỉ 10 lớp cho các ứng dụng phức tạp hơn. Phần III đưa ra các tiến bộ từ sau 1995 tới nay. Trong khoảng thời gian này, tần số xung nhịp đã tăng từ 25MHz đến hàng trăm MHz, tốc độ CPU cao hơn 1GHz, và hiện tại, tốc độ truyền thông số xấp xỉ 5GB/s. Các bước sóng cho tốc độ đó cũng như các hàm điều hòa đang được so sánh, hoặc thậm chí còn nhỏ hơn nhiều thiết bị và yêu cầu nhiều sự quan tâm hơn đến 1 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 từng chi tiết mà trước đây có thể là quá nhỏ để xem trọng. Phần IV bắt đầu một cái nhìn về tương lai với sự phát triển về công nghệ và các công cụ. Những hướng tiếp cận mới và sáng tạo đang được phát triển để có thể xử lý với các tần số cao mà không cần giảm hiệu suất tín hiệu hay tăng chi phí sản phẩm. Trong khi tốc độ CPU có thể không tăng đáng kể trong tương lai gần, xu hướng hiện tại là CPU đa lõi trên cùng một mạch tích hợp ứng dụng riêng biệt (Application Specific Integrated Circuit – ASIC) hoặc trên một mô-đun, và thông thường có các kết nối với tốc độ cực cao giữa chúng. Phần V xem xét một số lĩnh vực trong tương lai với nhiều nghiên cứu, phát triển quan trọng. Các kết nối số trong phạm vi 10-20 GB/s sẽ khả dụng trong thời gian tới, tạo ra những thách thức mới cho cả nội hệ thống và liên hệ thống EMI/EMC. Cuối cùng, phần VI thảo luận về một số cân nhắc đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực này. Và đặc biệt, với sự bùng nổ của điện thoại di động với nhiều bộ tản nhiệt trong khoảng cách rất gần với mạch kỹ thuật số, xe điện với cường độ rất cao tần số thấp, và các phương tiện phi kim loại với "mặt đất" nghèo hoặc đường dẫn trở lại DC thực hiện thiết lập riêng EMI/EMC. II. GIAI ĐOẠN ĐẦU Có thể nói, giai đoạn đầu là khoảng thời kỳ dài của các kỹ thuật vô tuyến ống chân không và các thành phần để gắn kết chúng vào mạch. Trên thực tế, các định nghĩa trong giai đoạn này khá chủ quan và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người viết. Để phục vụ cho mục đích này, chúng ta cần xem xét gian đoạn đầu từ trước cho đến giữa những năm 1900. Trong suốt thời gian đó, tần số xung nhịp có xu hướng chủ yếu dưới 25MHz và rất ít thiết kế EMI/EMC được thực hiện trong những bước đầu của chu kỳ phát triển sản phẩm. Thiết kế EMI/EMC có xu hướng bao gồm một số sóng phụ của các xung nhịp bằng cách sử dụng các bộ lọc điện dung để làm chậm thời gian tăng/giảm và để đảm bảo các bộ kết nối I/O các bộ lọc trước đó. Hầu hết các vấn đề EMI/EMC đều được đề cập vào cuối chu trình thiết kế và thường sự phát hành các sản phẩm bị chậm lại, gây ra chi phí lớn cho các dự án. Hầu hết sự bức xạ đến từ các cáp kèm theo, kể từ khi độ dài các bước sóng được so sánh với kích thước các sản phẩm, các dây cáp làm anten tốt hơn so với các sản phẩm thực. Hình 1. Ví dụ về bức xạ đầu những năm 80 Hình 2. Ví dụ về bức xạ từ năm 2009 2 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 Kể từ khi dữ liệu và tốc độ xung nhịp thấp như tiêu chuẩn hiện tại, sụ bức xạ có xu hướng chỉ xảy ra ở các tần số thấp hơn. Nó đã được thử nghiệm phổ biến ở một số phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng các anten loga chu kỳ (200MHz - 1GHz), trong thử nghiệm, rất ít bức xạ xảy ra ở trên 200MHz! Hình 1 cho thấy một ví dụ về bức xạ máy tính ở thời kỳ đó. Các công cụ khả dụng cho các kỹ sư EMI/EMC thời kỳ đó khá hạn chế so với hiện nay. Hầu hết các kiểm ta PCB đều thực hiện thủ công bằng cách sử dụng lý thuyết anten hoặc các phương trình cho các cấu trúc rất đơn giản. Những phương pháp tiếp cận này được áp dụng với các bước sóng dài và giả thuyết sự liên quan đến cấu trúc thực tế không quá quan trọng. Có một số công cụ trích xuất LRC 2D/3D đã có sẵn, nhưng hầu hết các mô phỏng đã được thực với đường truyền dẫn TEM. Những công cụ này cũng rất hữu ích vì kích thước các sản phẩm nhỏ hơn so với bước sóng liên quan. Các công cụ PCB chủ yếu xoay quanh việc sử dụng các bảng ánh sáng và bản sao các lớp PCB để theo dõi các vấn đề trên bản mạch. Điều này rất mất thời gian và dễ bị lỗi con người. III. NHỮNG TIẾN BỘ GẦN ĐÂY Kể từ giữa những năm 1990, tần số xung nhịp tiêu chuẩn từ khoảng 25MHz đến hàng trăm MHz, CPU có tốc độ cao hơn 1GHz, tốc độ truyền thông kỹ thuật số lên đến khoảng 10 Gb/s. Các đặc trưng bức xạ đã tăng lên đáng kể. Hình 2 cho thấy một đồ thị ví dụ cho tần số giữa 1GHz và 20GHz với hàm điều hòa ở phạm vi tần số này. Các bước sóng cho các tốc độ dữ liệu và các hàm điều hòa của chúng thường nhỏ hơn so với nhiều thiết bị và yêu cầu sự chú ý nhiều hơn nữa với các chi tiết có thể là quá nhỏ để xem trọng trước đây. Nhiều vấn đề khác nhau ảnh hưởng tới PCB đa lớp cũng như các khối IC. GÓi hiệu suất cao, hệ thống đóng gói, hoặc chế độ hỗn hợp sử dụng một PCB đa lớp chất nền để cải thiện khả năng định tuyến, bộ đệm vật lý, EMC, và do đó, có các vấn đề EMI/EMC tương tự như PCB. A. Return Current Path Bởi vì các giả định đơn giản không còn giá trị cho các tần số cao hơn (với bước sóng ngắn hơn), một sự hiểu biết tốt hơn về vật lý cơ bản ảnh hưởng đến thiết kế EMI/EMC đã được đưa ra. Nhà thiết kế hệ thống có thể không những chỉ xem xét các tín hiệu điện áp trên các vết đường của PCB, mà còn phải xem xét làm thế nào các tín hiệu có thể dịch chuyển và quan trọng hơn, trả lại đường dẫn hiện tại. Nó nhanh chóng trở nên rõ ràng rằng con đường trở lại hiện nay không nhất thiết phải "mặt đất hóa" cho các tín hiệu tốc độ cao, nhưng thay vì bất cứ mặt phẳng tham chiếu gần nhất, không phân biệt của tên đồ "VCC, GND" v.v… Các gián đoạn trong return path bắt đầu chế ngự hiệu suất EMI/EMC của PCB. Những gián đoạn này có thể được từ các vếtqua những khoảng trống trong những mặt phẳng tham chiếu gần nhất của chúng 3 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 [1] như một vết tín hiệu từ một vùng năng lượng này tới vùng năng lượng khác. Các tụ điện stitching [2] được đặt trên khoảng trống từ giữa các vùng năng lượng để cung cấp một return current path trở kháng thấp gần vị trí vết đi qua cho phép trả lại hiện tại vẫn còn gần với các dấu vết tín hiệu. Dữ liệu rộng/địa chỉ bus đòi hỏi phải có khoảng cách đáng kể từ khoảng cách vượt qua vị trí các tụ điện stitching cho một số tín hiệu và tụ stitching quan trọng kết nối điện cảm [3] kết quả trong chiến lược của việc sử dụng các tụ khâu có lợi ích hạn chế. Quay trở lại vấn đề gián đoạn hiện nay mở rộng đến các tín hiệu tốc độ cao di chuyển thông qua kết nối giữa các PCB [5]. Sự gia tăng lượngbức xạ EMI áp dụng đối với cả hai tín hiệu đơn kết thúc cũng như chế độ tín hiệu chung trên các cặp khác biệt.Các chân tham chiếu mặt đất bất đối xứng trong kết nối cũng như các lớp tham chiếu thay đổi ở hai bên của kết nối âm EMI và ảnh hưởng toàn vẹn tín hiệu với tín hiệu tốc độ cao. Các mạch linh hoạt đang được sử dụng trong nhiều thiết bị và gây ra một số thách thức EMI.Để linh hoạt, vài lớp có thể được sử dụng, và thường xuyên là lớp"mặt đất vững chắc" cho dòng điện trở lại phải được bỏ qua, cho phép nhiều EMI/EMC được đưa ra. B. Kích thước các thành phần PCB ảnh hưởng tới hệ thống Trong giai đoạn từ những ngày đầu chođến nay, kích thước vật lý của tất cả các thành phần đã được giảm đáng kể. Các tụ điện, điện trở và IC có kích thước lớn trong các khối DIP với dây dẫn tương đối dài. Ngày nay các tụ điện và điện trở khi chúng tồn tại riêng lẻ, thường có kích thước rất nhỏ cho việc thao tác thủ công và hàn vào PCB. Những mạch có nhiều lớp PCB (thậm chí là các rack) giờ đây tích hợp vào một thiết bị duy nhất (VLSI) và hoạt động nhanh hơn nhiều lần. Sự giảm thiểu kích thước vật lý đã đem lại một lợi ích to lớn trong việc kiểm soát EMI và cho phép tính toán toàn vẹn tín hiệu PCB ở tốc độ cao. Các gói IC điện cảm đã được giảm đáng kể do việc giảm kích thước và cho phép dữ liệu cao hơn nhiều trên các PCB. Tuy nhiên, xu hướng bức xạ ở tần số cao vẫn còn duy trì. Hình 3. Sự tăng biên độ chế độ tín hiệu chung với các cặp vi sai C. Chế độ tín hiệu chung và Các cặp vi sai Việc sử dụng dữ liệu tín hiệu số tần số cao, đặc biệt là với chất điện môi tổn hao giá trị thấp hơn hoặc khoảng cách truyền xa, cần yêu cầu sử dụng các tín hiệu khác biệt để cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu của các tín hiệu tốc độ cao. Tuy nhiên, khi xảy 4 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 ra một độ lệnh nhỏ, một lượng tăng/giảm thời gian không phù hợp xảy ra và/hoặc một số lượng nhỏ biên độ không phù hợp giữa các vết của các cặp vi sai xảy ra, sau đó một lượng đáng kể các nhiễu ở chế độ chung được tạo ra[6], [7]. Trong các cặp, sự mất cân bằng có thể gây bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cả sự khác biệt điện dung IC với việc tăng/giảm tín hiệu, đường tín hiệu dài không phù hợp (trên các gói và trên PCB), và nhiều nguyên nhân khác. Nếu hai dòng của một cặp vi sai hoàn toàn cân bằng, sẽ không có nhiễu chế độ chung được tạo ra. Tuy nhiên, một vài phần trăm sai lệch (so với độ rộng bit) hoặc phần trăm tăng/giảm thời gian không phù hợp, trong khi không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn tín hiệu, sẽ có tác động lớn tới EMI/EMC. Hình 3 cho thấy các hàm điều hòa của tín hiệu chế độ chung tăng theo số lượng nhỏ của độ lệch các cặp. Không thể điều khiển các biện của chiều dài trace và điện môi biến đổi liên tục. Một số lượng các nhiễu chế độ chung là không thể tránh khỏi, do đó, một quy tắc EMI/EMC đơn giản cho các PBC hiện tại gián đoạn được áp đụng như nhau đối với các mạng lưới khác nhau. D. PCB riêng biệt Mạng lưới phân phối điện năng hiệu quả (Power Distribution Network) tách các chiến lược cả tính toàn vẹn điện năng (PI) và kiểm soát EMI/EMC trở nên quan trọng hơn xung nhịp và sự gia tăng của tốc độ dữ liệu. Các vấn đề như điện cảm kết nối liên kết với các tụ điện tách biệt kết nối với nguồn và lớp mặt đất tham chiếu, và độ tự cảm giữa nguồn và mặt phẳng tham chiếu mặt đất [9] đã được tìm thấy rất nhiều hạn chế hiệu quả của tụ điện có thể nạp trực tiếp từ IC. Tại thời điểm này, vị trí tụ điện ít nhất cũng quan trọng như giá trị của tụ điện.Các tụ điện phải được đặt gần các thiết bị để có thể để giảm thiểu điện cảm và giảm thời gian để cung cấp sự nạp điện cho thiết bị. Vì vậy, phương pháp cách ly cho các thiết bị tốc độ cao thường được thực hiện trong nhiều giai đoạn, phản ứng đầu tiên và nhanh nhất từ các điện dung on-die, phản ứng thứ hai từ khối các tụ điện trên thiết bị, và cuối cùng là các tụ điện trên PCB. Sự phát triển này, để hỗ trợ các layout PCB, yêu cầu các kỹ sư EMC phải có được những nhận thức đầy đủ, chi tiết hoạt động của các khối để tránh sự cộng hưởng không mong muốn. Nghiên cứu cho thấy rằng một số phương pháp tụ điện cách ly khác nhau (chẳng hạn như "deep-V" và nhiều giá trị tụ điện tại mỗi mười tần số) có hiệu quả tương đương. Thông thường, điện cảm của các kết nối các tụ điện tới mặt phằng nguồn điện và mặt phẳng mặt đất tham chiếu sẽ tạo ra một điện cảm chi phối khả năng của tụ điện cách ly để cung cấp một sự nạp điện nhanh chóng và hiệu quả [9]-[11]. Sự cần thiết phải cung cấp sự nạp điện nhanh chóng với điện cảm thấp đã dẫn đến sự phát triển và sử dụng siêu mỏng, vật liệu điện môi cao liên tục trong các PCB. “Điện dung ẩn” này đã được chứng minh để đạt được mục tiêu trở kháng trong khi giảm số lượng của tụ điện rời rạc yêu cầu. Ngay cả với các vật liệu điện môi điển hình, khoảng cách mặt phẳng 5 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 gần hơn đã tăng điện dung của cặp mặt phẳng tới điểm mà vị trí tụ điện không phải là quan trọng và các tụ điện chủ yếu là nạp thêm điện vào các mặt phẳng. Một phương pháp khác để giảm điện cảm liên quan đến kết nối các tụ điện tới các mặt phẳng là nhúng các tụ riêng lẻ trong PCB [12]. E. Tản nhiệt đất Với sự gia tăng tốc độ xung nhịp CPU, có một sự gia tăng tuiơng ứng trong tản nhiệt nguồn. Có thể tản nhiệt đơn giản bằng kim loại hoặc có thể được một tập hợp bao gồm tản nhiệt, ống nhiệt, xả nhiệt, và quạt. Ban đầu, các cơ chế làm mát bằng điện thường nhỏ, và do đó, không hiệu quả với các anten. Tại 100 MHz, một phần tư bước sóng là 750mm (30in), lớn hơn rất nhiều một tản nhiệt, tuy nhiên, tại 3GHz, chỉ có 25mm, là cần thiết để tạo ra một đơn cực một phần tư bước sóng hiệu quả. Vì vậy, năng lượng trong phổ nhiễu tăng lên, lượng bức xạ của cáctản nhiệt cần thiết cũng tăng [13]. Mạch in hiện nay thường yêu cầu phải bao gồm một phương tiện để liên kết các cơ sở của tản nhiệt với mặt phẳng thẻ tham chiếu máy tính để chuyển hướng nhiễu từ một con đường mà bao gồm "ăng ten" tới một tuyến đường trực tiếp hơn để hoàn thành đường dẫn. Một số thiết bị VLSI sử dụng kết hợp để đạt được điều này và tránh gia tăng các điện thế trên các card PC, điều này cũng làm giảm bớt sự thoát ra khỏi dấu vết mà được yêu cầu đến và đi từ các thiết bị [14]. F. Những công cụ tiến bộ gần đây Với sự gia tăng của tính sẵn sàng và hiệu suất của các máy tính, một số các kỹ thuật mô phỏng toàn sóng khác nhau đã được áp dụng cho các vấn đề EMI/EMC. Kỹ thuật miền thời gian hữu hạn (FDTD) [15], phương pháp Mômen [16], phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) [17], và các thành phần mạch tương đương (PEEC) [18] đều được sử dụng cho các vấn đề EMI/EMC. Mỗi kỹ thuật đã được chứng minh là có những điểm mạnh cho một số vấn đề, cũng như những khó khăn với các vấn đề nhất định, và một sự kết hợp của các kỹ thuật khác nhau cho phép các kỹ sư để có một bộ công cụ đầy đủ hơn. Kỹ thuật PEEC đặc biệt cho thấy sự hứa hẹn cho các vấn đề liên quan đến PCB, kể từ khi nó kết hợp các yếu tố mạch với tính toán toàn sóng và hoạt động tốt ở cả miền tần số và miền thời gian. Ngay cả với sự bùng nổ của việc sử dụng những kỹ thuật này, và nhiều nhà cung cấp và các trường đại học phát triển các công cụ phần mềm, các công cụ này chỉ có thể mô hình hóa một phần tương đối nhỏ của toàn bộ hệ thống. Vấn đề cụ thể có thể được phân tích rất chi tiết và có thể cho phép các kỹ sư hiểu rõ hơn về vật lý cơ bản của vấn đề và làm thế nào giảm thiểu các sự lựa chọn khác nhau giải để quyết vấn đề. Một số phương pháp tiếp cận kết hợp đã được phát triển, chủ yếu là tại các trường đại học, cố gắng để giải quyết những hạn chế và cho phép hệ thống phân tích lớn hơn, trong khi lợi dụng ưu điểm của mỗi kỹ thuật trên một phần của vấn đề mà kỹ thuật đó áp dụng tốt nhất. 6 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 Một công cụ PCB quan trọng liên quan đến EMC là công cụ tự động kiểm tra các quy tắc EMC. Những công cụ này sẽ đọc toàn bộ PCB CAD và kiểm tra tất cả các mạng lưới và các thành phần, nếu thích hợp, tuân thủ các quy tắc EMC được xác định trước. Không có sự tính toàn toàn sóng phức tạp được thực hiện với những công cụ này, nhưng kết quả thu được một cách nhanh chóng và sau đó có thể định hướng các kỹ sư thiết kế tới các nghiên cứu sâu hơn là cần thiết, có thể sử dụng các công cụ toàn sóng. Có một mối quan hệ hiệp đồng giữa việc sử dụng các tính toán chi tiết mã số EM và quy tắc kiểm tra PCB. Nó không kỳ vọng chi tiết số mô phỏng sẽ được sử dụng, thay vào đó, chúng sẽ được áp dụng với các trường hợp mới và các lớp của các vấn đề để các quy tắc mới có thể được xây dựng và đưa ra. Tương tự như vậy, các xung đột trên một thiết kế PCB được đánh dấu bởi các quy tắc kiểm tra có thể dẫn đến các khu vực nơi một mô phỏng đầy đủ chi tiết hơn được yêu cầu. IV. PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT Trong khi các thành phần rời rạc cho các bộ lọc và điều khiển EMC làm việc rất tốt trong một phạm vi tần số nhất định, tốc độ dữ liệu đã tăng lên thành 10 gigabits mỗi giây, các thành phần rời rạc được tìm thấy có quá nhiều ảnh hưởng nhiễu loạn. Hình4 cho thấy xu hướng trong một số tiêu chuẩn dữ liệu. Cấu trúc khe vùng điện từ (Electromagnetic band gap - EBG) [19], [20] đã được nghiên cứu để điều khiển nhiễu PDN cũng như cô lập của các tín hiệu từ phần nhạy cảm khác nhau của PCB. EBG thực tế có thể có nhiều hình dạng và có thể được thiết kế trước để đạt được khoảng cách lọc xác định. Hình 4. Xu hướng xung nhịp và tốc độ dữ liệu Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy một ứng dụng có thể cho cấu trúc EBG [21] để lọc các tín hiệu chế độ chung từ một cặp khác biệt các traces. Những cấu trúc EBG gây ra một sự gián đoạn trong đường dẫn trở lại hiện tại (current return path) có hiệu quả và có thể lọc không mong muốn tín hiệu chế độ chung trên một phạm vi tần số xác định. Các mô hình công cụ toàn sóng cực kỳ chính xác, nhưng chúng yêu cầu tài nguyên bộ nhớ và thời gian rộng rãi và hợp lý để có thể áp dụng cho một phần tương đối nhỏ của toàn bộ hệ thống. Để lấp đầy khoảng trống giữa các thiết bị giải toàn sóng và công cụ kiểm tra quy tắc EMC, các tính toán nhanh đã bắt đầu được phát triển để có thể cung cấp kết quả nhanh chóng cho phép các kỹ sưthực hiện các phát minh thiết kế. Những công cụ này có thể tính toán tác 7 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 động của một dấu vết qua một sự chia rẽ trong mặt phẳng tham chiếu gần nhất, ví dụ, bất kỳ bộ phậnkhác có tác động tương tự EMC. Những tính toán này dựa trên mô hình toàn sóng mở rộng hoặc đo lường trong phòng thí nghiệm để làm giảm vấn đề phức tạp toàn sóng vào một tập hợp các thuật toán đơn giản với phạm vi hạn chế. Những máy tính nhanh chóng khác bao gồm các máy tính trở kháng PDN. Kỹ thuật, chẳng hạn như phương pháp cộng hưởng khoang [22], phương pháp đường biên hội tụ [23], [24], 2-D FEM, và phương pháp hữu hạn khác biệt 2-D [25], tất cả cung cấp các tính toán rất nhanh cho các thiết lập giới hạn của các vấn đề gây ra bởi tính chất 2-D của hệ thống cung cấp nguồn. Các PCB thường có các chân cắm rất dày đặc dưới ASICs và bộ vi xử lý. Mật độ cao như vậy trong một thiết kế vật lý rất khó khăn, đặc biệt là khi nguồn, các chân cắm tham chiếu đất, mặt đất và chân tín hiệu… tất cả trong khoảng cách rất gần. Các nhà thiết kế không thể định tuyến số lượng lớn các tín hiệu và duy trì mặt phẳng nguồn và mặt phẳng tham chiếu đất đó là vì mong muốn giữ số lượng lớp (layout) chấp nhận được. Máy tính nhanh chóng được kết hợp cho phép phân tích một PCB nhiều lớp, cho cả tiếng nhiễu PDN cũng như khớp nối giữa các chân nguồn và các chân tín hiệu [26] - [28]. Ví dụ, trong một cách tiếp cận, môi trường phức tạp được chia thành các phần trung tâm của tham số S được phát triển cho từng phần bằng cách sử dụng máy tính nhanh chóng trên, sau đó tham số S được kết hợp để tìm những hồi đáp của toàn bộ hệ thống. Điều này cho phép tính toán yêu cầu hàng giờ và hàng ngày với bộ giải toàn sóng truyền thống (hoặc có thể không đạt được nếu không có các nguồn tính toán này - thường không có sẵn cho hầu hết các kỹ sư thiết kế). Không phải tất cả các tín hiệu chế độ chung đều được tạo ra từ sự khác biệt không phù hợp giữa các cặp. Các nguồn bổ sung nhiễu chế độ chung có thể được tạo ra bằng cách không cân xứng trong các tín hiệu khác biệt thông qua và các đường dẫn kết nối. Khi đường mặt đất tham chiếu (hoặc chân kết nối) không đối xứng được đặt xung quanh một cặp khác biệt giữa các tín hiệu, một lượng đáng kể của tín hiệu khác nhau có thể được chuyển đổi sang nhiễu chế độchung. Từ quan điểm EMC, một số lượng đáng kể nhiễu chế độ chung với trọng tâm của cường độ thấp trong biên độ là bình thường hơn số lượng các tín hiệu yêu cầu toàn vẹn tín hiệu mà các kỹ sư cần quan tâm. Công cụ phát triển Số lượng song song hóa cho tính toán các vấn đề toàn sóng đã được tăng ổn định [29]. Các trung tâm tính toán hiệu suất cao đã cho thấy sự cải thiện đáng kể khi nhiều bộ vi xử lý hoạt động song song được sử dụng. Điều này đòi hỏi các đoạn mã chuyên biệt được phát triển để tận dụng lợi thế của song song, và số lượng của tốc độ phụ thuộc vào số lượng các bộ vi xử lý. Tuy nhiên, sự gia tăng này sẽ hội tụ về một giới hạn tùy thuộc vào tốc độ truyền thông bên trong các vi xử lý. 8 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 Máy tính nhanh chóng được phát triển để cho phép tính toán các kết quả toàn sóng, mà không cần phải làm một mô phỏng toàn sóng. Những công cụ này có một số hạn chế về các vấn đề mà chúng có thể giải quyết, và miễn là người sử dụng hiểu được những hạn chế và sử dụng các công cụ một cách thích hợp, kết quả thu được là khá chính xác. Một số của những máy tính nhanh chóng kết hợp một số tính toán khác nhau, và kết quả cuối cùng được lắp ráp bằng cách kết hợp các kết quả của các máy tính cá nhân. Những công cụ này thường được sử dụng cho PDN phân tích trên các PCB, nhưng cũng có thể được áp dụng cho phân tích các đường dẫn và các cấu trúc khác của PCB. V. TƯƠNG LAI NHỮNG LĨNH VỰC PHÁT TRIỂN EMI/EMC A. Kết hợp EMC, Tín hiệu, và Phân tích PI Mật độ của mạch trên các PCB hiệu suất cao rất phức tạp và dày đặc các chân cắm cho ASICs và bộ vi xử lý cũng như cho các kết nối tốc độ cao. Những chân cắm dày đặc kết hợp dữ liệu tốc độ cao gần với nguồn và chân tham chiếu mặt đất, và do đó, chúng có thể gây ra cả hai khả năng miễn trừ EMC và các vấn đề toàn vẹn tín hiệu trong PCB. Khả năng nhanh chóng phân tích các khu vực mật độ cao như vậy với hàng trăm chân và đường dẫn là cần thiết để giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động của các bộ vi xử lý và ASICs. Trong hầu hết các ứng dụng, tín hiệu toàn vẹn, PI, và EMC được xem xét một cách riêng rẽ, và thường xuyên nhất với các kỹ sư khác nhau. Điều này là việc làm được chấp nhận trong quá khứ. Tuy nhiên, PCBs tốc độ cao đòi hỏi chặt chẽ hơn sự ghép nối của tín hiệu toàn vẹn, PI, và EMC trong các thiết kế hiện nay. Các vấn đề nội bộ hệ thống miễn trừ EMC có thể tăng sự biến động và là một mối quan tâm cho toàn vẹn tín hiệu. Kỹ thuật phân tích mà không yêu cầu phân tích toàn sóng và thực hiện trong phạm vi các công cụ tham số yêu cầu phải bao gồm tất cả những cân nhắc để phù hợp và thuận lợi vào quá trình thiết kế thực. B. Công cụ phần mềm và Phân tích Đã trở thành tiêu chuẩn thực hành khi sử dụng các công cụ thương mại EMC sẵn có để kiểm tra các thiết kế PCB. Trong khi những công cụ này cực kỳ hữu ích cho các vấn đề PCB, chúng không giải quyết các vấn đề hệ thống tổng thể. Các quy tắc EMC cấp hệ thống kiểm tra bao gồm những tác động PCB, kết nối của PCB quanh kim loại (nếu có), vỏ bọc bảo vệ, quạt và các lỗ thông hơi không khí, cũng như cáp nhập/xuất. Điều này chắc chắn không phải là một công việc tầm thường, nhưng là cần thiết cho các chu trình thiết kế ngày càng ngắn hơn và ngày càng phức tạp với tốc độ cho các hệ thống mới. Thật không may, nhiều công cụ phân tích tự động giả định rằng năng lượng điều hòa của một làn sóng vuông lý tưởng. Các công cụ tương lai kết hợp EMC, SI, và phân tích PI phải có khả năng sử dụng các dòng điện thực tế từ các công cụ SI, sử dụng bộ đệm I/O mô hình thông tin đặc điểm kỹ thuật 9 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 2, MAY 2010 (IBIS), mô hình giao diện mô hình thuật toán (AMI), hoặc các mô tả chi tiết tương tự như trình điều khiển đầu ra và đầu vào của các IC. Cấu trúc song song cho mô phỏng đã được phát triển một vài năm gần đây (như đã đề cập ở trên). Tuy nhiên, với các vấn đề quy mô lớn hơn và tích hợp thông suốt cho các hệ thống dễ dàng có sẵn là điều rất cần thiết. Tốc độ bộ vi xử lý không có khả năng tăng đáng kể trong tương lai gần, nhưng các lõi xử lý bổ sung đang được đặt trong CPU cho phép tính toán nhiều hơn nữa để có một thời gian tính toán ngắn. Ngoài ra những bộ xử lý đa lõi trở nên rất phổ biến cho máy tính cá nhân "tiêu chuẩn". Đa lõi và đa xử lý mở ra cánh cửa tiềm năng cho cấu trúc song song, đặc biệt là khi kết hợp trên nhiều hệ thống. Điện toán đám mây cung cấp một cách khác cho người dùng truy cập tài nguyên máy tính song song hàng loạt mà không cần thiết phải sở hữu các phần cứng và phần mềm một cách trực tiếp. Điều này sẽ khiến khả năng mô phỏng cao cấp hơn của các kỹ sư tại các công ty thuộc mọi quy mô khác nhau. C.Tự gây nhiễu Là rất hiện tượng phổ biến trong các hệ thống kỹ thuật số ngày nay bao gồm truyền thông vô tuyến (ví dụ, Bluetooth, Ethernet không dây, vv) trong khoảng cách vật lý gần với mạch kỹ thuật số tốc độ cao. Tự gây nhiễu hoặc nội hệ thống can thiệp trong một môi trường vô tuyến dày đặc đang trở thành một vấn đề phổ biến và rất quan trọng. Sự che chắn đơn giản hoặc cách ly vật lý thường không thể vì hạn chế về thiết kế khác. Các vấn đề như vậy là rất phổ biến và có nhiều thách thức hơn so với "chuẩn" EMC vấn đề bức xạ. Điện thoại di động, máy tính xách tay và các thiết bị khác phải xem xét cẩn thận làm thế nào để đảm bảo tương tự, vô tuyến, và các mạch kỹ thuật số có thể cùng tồn tại và vẫn thực hiện chức năng dự định của chúng. Ngay cả hệ thống mà chỉ có các tín hiệu kỹ thuật số cũng có thể gây ra giao thoa giữa các hệ thống con. Các kỹ thuật đặc biệt như cấu trúc EBG và vật liệu tổn hao có thể là cần thiết để đạt được các mục tiêu này. Đối phó với loại hình này, vấn đề EMC là khả năng để thay thế lượng bức xạ là vấn đề quan trọng nhất và khó khăn nhất mà các kỹ sư thiết kế phải vượt qua. Ngoài khả năng hoạt động nội hệ thống vô tuyến và kỹ thuật số, khả năng tương tác bên trong hệ thống âm thanh và kỹ thuật số là một vấn đề đối với nhiều loại sản phẩm. Trong năm 2008, một tiêu chuẩn mới được phát hành mà cụ thể là địa chỉ khả năng miễn trừ của âm thanh thiết bị văn phòng (C63.9-2008). Sự cần thiết cho tiêu chuẩn này phát sinh từ một vấn đề giao thoa nghiêm trọng. Không có yêu cầu miễn trừ nói chung ở Mỹ như là ở châu Âu và châu Á, tuy nhiên, rõ ràng là cần phải có. Đối với trường hợp của thiết bị âm thanh, nó là rõ ràng rằng tất cả các kiểm soát EMI sẽ được thực hiện ở cấp độ PCB kể từ khi che chắn một loa ngoài không phải là một giải pháp hiệu quả về chi phí. Ví dụ này là một tình hình EMI cổ điển, nơi mà sự can thiệp là rất rõ ràng và rất dễ kiểm soát. 10