芝能智芯出品

随着围绕算力的系统不断追求更高性能和更高集成度，电磁干扰（EMI）管理在系统设计中的重要性日益凸显。

更多的模拟、射频（RF）和数字电路集成到单片系统（SoC）或先进封装（如2.5D、3D、3.5D）中，使得解决系统内部的信号干扰成为工程师面临的重大挑战。

在紧密的混合信号环境中，如何有效降低EMI带来的风险，成为提升系统可靠性和性能的关键问题。

Part 1

密集混合信号环境下的EMI挑战

将多种功能集成到单一SoC或先进封装中的趋势，虽然能够提升系统性能并减少外部元件的数量，但也增加了电路中相互干扰的可能性。

尤其是当数字电路与模拟和RF电路在同一芯片或封装中共存时，数字电路的高频开关噪声可能会干扰邻近的敏感信号。当RF接收器与数字功能集成在同一芯片上时，数字噪声可能会淹没RF信号，进而影响其性能。

先进封装技术如2.5D、3D和3.5D的使用，使得多个芯片（如SoC、内存单元、电源管理IC和RF收发器）紧密排列或堆叠，虽然能提升功能密度，但也带来了更高的信号衰减、串扰及系统不稳定的风险。

随着功率水平和工作频率的不断提高，传统的EMI屏蔽方法逐渐失去效果，设计者需要创新解决方案来应对新的挑战。

在射频电路中，微弱的信号对于通信协议的可靠性至关重要。以GPS接收器为例，它必须检测来自遥远卫星的极弱信号，这些信号仅略高于背景噪声。

当RF接收器与数字功能集成到同一芯片时，来自数字电路的高电压开关噪声可能压倒敏感的RF接收器，从而将重要信号淹没在干扰中。

干扰不仅影响信号质量，还会导致接收器灵敏度的降低。如果发射器和接收器之间的隔离不充分，多余的能量会渗透到接收端，从而降低信噪比，严重影响系统性能。

这一现象在最新的工艺节点（如7nm、5nm及以下）中尤为明显，晶体管尺寸的减小降低了噪声容限，使得系统对电磁耦合更加敏感，导致逻辑错误、时序违规等问题。

Part 2

EMI的应对措施

为了解决高密度集成中的EMI问题，设计人员必须在早期阶段采取多种措施来降低干扰。

几种关键的EMI管理技术：

● 屏蔽是管理EMI最有效的方式之一，通过导电或磁性材料将敏感元件封装起来，防止电磁波的传播，高导电性材料如铜、铝或穆金属能够有效地吸收和改变电磁波方向，从而减弱干扰。

这种方法在高频应用中尤为有效，能够显著减少信号衰减或丢失。

● 在高密度集成环境中，合理的接地层设计至关重要。接地层可以作为电磁屏障，有效阻止干扰的传播。

此外，使用保护环、沟槽隔离和硅通孔（TSV）等方法，能够在敏感元件之间形成物理隔离，减少寄生耦合效应。差分信号技术也是对抗EMI的有效方法，通过两条互补线路传输信号，消除共模噪声，从而提高信号完整性。

● 高频电路产生的热量也可能加剧EMI问题。因此，在设计中优化元件的布局、使用导热材料并实施高效散热措施，可以有效提高系统的抗干扰能力。

● 测试与验证在确保系统性能中的作用变得更加重要。

高频信号更容易受到串扰和干扰，依赖先进的测试设备和技术来验证系统的信号完整性。射频生产测试需要平衡RF信号路径的优化与其他数字信号路径、功率和时钟路由的需求，以确保测试过程中不会引入额外的干扰。

时域反射法（TDR）和矢量网络分析（VNA）等方法能够检测信号完整性异常，帮助工程师识别在设计阶段可能未察觉的潜在EMI问题。

● 仿真技术在EMI管理中提供了强大的支持。通过对电磁场的精确建模，设计人员可以识别系统中潜在的干扰源，并在制造之前进行优化调整，仿真可以帮助设计人员从源头解决问题，而不是依赖事后增加屏蔽来补救。

通过精细的仿真和优化，系统可以避免能量的损失，并提高设计效率。

高算力芯片带来的EMI管理挑战要求设计人员从设计的早期阶段就采取全面的应对措施，合理的隔离、屏蔽技术、接地策略以及精细的布局规划，工程师可以显著降低EMI风险，并提高系统的信号完整性和性能。