本文藉由一個實際分析LQFP內部干擾所引起的EMI問題,來說明HFSS分析流程。
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問題描述
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HFSS模型建立
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以模擬環境複製(找出)干擾行為模式 -- 這步驟是關鍵
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模擬與實際結果差異
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問題描述
某一顆IC的平台,遠場EMI測試發現有一根異常的81MHz能量從CVBS
cable幅射出來,透過近場IC掃描(下圖所示),發現noise source是27MHz PLL power and digital kernel power,可能在package內就耦合干擾到旁邊的CVBS。
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HFSS模型建立
2.1
建立一個268mils x 268 mils的LeadFrame,與高度6mils的矽晶片;並且依實際bonding狀況,接上三條從LeadFrame外接grounding的bonding
wire。(請注意,有一條bonding wire只從chip接到LeadFrame的地)
2.2 將關鍵的PLL
power, Digital kernel power, Video output pin(CVBS)相對位置畫出
所有物件的大小、高度(die高,bonding wire弧高)、相對距離,必須盡量符合真實情況
2.3
在package外圍一圈ground ring,模擬所有的ground pin最後會在系統PCB上相接
2.4 以Lump
model建立Excitation source與RLC load,共建兩組,分別模擬PLL power與digital
kernel power
HFSS \ Excitations \ Assign
\ Voltage
HFSS \ Boundaries \ Assign \
Lumped RLC
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以模擬環境複製(找出)干擾行為模式
-- 這步驟是關鍵
只要在模擬分析結束後,先選定背景空間(free space, air box),再如下操作即可畫出3D的電磁場空間
3.1 pll_pwr
simulation result
從3D電場強度分佈,可以很清楚的看出,因為pll_pwr pin旁邊有自己的gnd
pin,所以整個noise會被封在一個有限區域的迴路中,這是沒問題的。
3.2 dig_pwr
simulation result
從3D電場強度分佈,可以很清楚的看出,因為dig_pwr
pin旁邊沒有自己的gnd pin,所以整個noise會在LQFP內亂竄,尤其對旁邊的CVBS pin,有很強的電場耦合
3.3 improve
dig_pwr
simulation result:在dig_pwr pin旁,多bonding一條ground wire從LeadFrame到external
ground ring,模擬就近有一根自己的ground pin
從3D電場強度分佈,可以很清楚的看出,dig_pwr pin左邊加一條gnd pin,整個noise會被封在一個有限區域的迴路中。
假設無法單獨給該digital kernel power一個ground pin,而借用旁邊(右邊)的一根video
ground呢?
從3D電場強度分佈,可以很清楚的看出,dig_pwr pin右邊加一條gnd pin,整個noise會被封在一個有限區域的迴路中,且更有效的阻隔了電場往右邊CVBS
pin耦合。但因為借用Video GND pin來bond digital GND,可能會因此影響了Video Quality的SNR
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模擬與實際結果差異
從模擬結果看,應該在digital power bonding wire旁多加一條ground bonding
wire應該可以解掉此問題。但實際實驗發現,借用video GND pin多bond一條digital GND
(double bond),是有輕微的改善了CVBS所帶出的81MHz輻射能量(降2dB),但卻使得Video白電平SN大幅下降7dB。
所以這27MHz的三次諧波,不只透過封裝內的打線輻射耦合,且在DIE上就有相當程度的互相干擾。原因是這一版本的PLL
IO設計略有over-drive(製成轉廠),也就是27MHz晶振的起振電路設計推力較強,最後的系統端解法是加大XIN、XOUT之間的跨接電阻,整個CVBS所帶出的27MHz三階諧波就大幅下降了。
從雜訊源
頭解問題,通常會比從耦合路徑解,或從接收端(被干擾端)解問題,效果來的好
此例的模擬過程中,由於無法取得IC power/ground
model,僅假設干擾主要發生於封裝設計階段,故出現模擬結果於實際量測後所下的對策有所差異
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Reference
[1] Dmitry
Fliter, "Package
Simulations For Mitigating Noise Coupling Onto Sensitive RF
signals", CSR, DesignCon 2015.
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