電磁干擾仿真預(yù)測

在當(dāng)今競爭激烈的市場中設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，滿足電磁兼容性 (EMC) 的要求是一個(gè)主要的風(fēng)險(xiǎn)因素，特別是因?yàn)樾〉臋C(jī)會(huì)窗口對業(yè)務(wù)成功至關(guān)重要。仿真流程和方法基于一流的工具和經(jīng)過驗(yàn)證的方法，用于準(zhǔn)確模擬電子系統(tǒng)的 EMI 特性。通過在提交監(jiān)管認(rèn)證之前提供洞察力來實(shí)施設(shè)計(jì)修改，這將使開發(fā)團(tuán)隊(duì)受益。業(yè)界經(jīng)常以一種單一的心態(tài)談?wù)撾姶鸥蓴_ (EMI)：這是一個(gè)問題。

這源于這樣一個(gè)事實(shí)，即在輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的強(qiáng)制性測試期間，直到監(jiān)管機(jī)構(gòu)發(fā)布不合規(guī)報(bào)告時(shí)，才會(huì)認(rèn)真考慮 EMI。實(shí)際上，EMI 只是一種癥狀，而不是設(shè)計(jì)問題的根源。電子系統(tǒng)產(chǎn)生的過多 EMI 是信號完整性和/或電源分配問題的一個(gè)指標(biāo)，這些問題表現(xiàn)為 EMI。

在設(shè)計(jì)過程中預(yù)測 EMI 的挑戰(zhàn)在于，無法確定地知道無論您采用何種設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐從 EMI 的角度來看，使用將保證可接受的結(jié)果——直到運(yùn)行輻射發(fā)射測試。雖然信號濾波、重新布線、屏蔽組件或屏蔽印刷電路板可能是提高功能性能所必需的，但為了控制 EMI 而做更多相同的工作還為時(shí)過早。

用于預(yù)測 EMI 的最先進(jìn)仿真方法

本文討論了一種直接的 EMI 仿真方法，可準(zhǔn)確表征電子系統(tǒng)的電磁行為、實(shí)時(shí)仿真其性能、仿真監(jiān)管 EMI 輻射測試并捕獲仿真結(jié)果，以在存在 EMI 問題時(shí)幫助識(shí)別和隔離干擾源。本次討論的基礎(chǔ)是 ANSYS 提供的工具和支持技術(shù)，以使其一切正常。

核心 EMI 仿真方法流程

捕獲系統(tǒng)的幾何形狀。

使用 EM 場求解器在感興趣的頻率范圍內(nèi)對系統(tǒng)的電磁響應(yīng)進(jìn)行建模。

將電磁解決方案鏈接到時(shí)域電路求解器原理圖，應(yīng)用瞬態(tài)信號源和終端，并生成實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)。

將時(shí)域結(jié)果推回到電磁模型中并計(jì)算對時(shí)域激勵(lì)的電磁響應(yīng)以捕獲 EMI 特征

EMI 仿真問題的范圍

電子設(shè)計(jì)中的一個(gè)阻礙事件是未能遵守輻射和/或傳導(dǎo)發(fā)射的規(guī)定。就診斷和糾正問題、重新制造產(chǎn)品以及重新提交進(jìn)行測試所需的時(shí)間和精力而言，實(shí)際開發(fā)成本會(huì)迅速增加。因?yàn)楹弦?guī)報(bào)告只記錄了失敗，而沒有提供關(guān)于失敗原因的見解，監(jiān)管機(jī)構(gòu)的測試對重新設(shè)計(jì)過程沒有任何價(jià)值。

預(yù)測 EMI 是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。EMI 感知設(shè)計(jì)方法的核心要求是執(zhí)行 EMI 測量仿真的能力。在閉環(huán)中運(yùn)行的電磁場求解器和電路求解器對于精確建模和仿真在三個(gè)域中定義的系統(tǒng)特性是必要的：時(shí)間、頻率和空間。

電子系統(tǒng)的每一個(gè)元素都具有三維物理性——從 IC 和分立元件到印刷電路板和外殼，再到與其他相鄰電子設(shè)備的互連和交互。正是這種物理特性直接影響工程師關(guān)心的那些設(shè)計(jì)參數(shù)——信號衰減、傳輸損耗、信號耦合、諧波等。這些參數(shù)也同樣是由功率系統(tǒng)傳導(dǎo)發(fā)射或者空間輻射引起的。電磁場求解器是準(zhǔn)確模擬三維系統(tǒng)電響應(yīng)的合適工具。

雖然電磁求解器解決了 EMI 仿真問題的空間頻率響應(yīng)問題，但該頻域系統(tǒng)模型僅提供了一半的解決方案。真實(shí)信息(例如現(xiàn)代數(shù)字通信)在時(shí)域中傳播。

這將 EMI 仿真問題轉(zhuǎn)移到時(shí)域電路求解器領(lǐng)域。對于輻射發(fā)射的情況，其中電磁系統(tǒng)模型被提取為復(fù)雜的 S 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，需要場路協(xié)同求解器解決方案。通過用真實(shí)信號驅(qū)動(dòng)電磁系統(tǒng)模型，混合電路求解器模擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。在傳導(dǎo)發(fā)射的情況下，系統(tǒng)通常被提取為集總元件模型，設(shè)計(jì)人員可以使用傳統(tǒng)的電路仿真器。

要預(yù)測 EMI，還需要再進(jìn)行一個(gè)仿真階段。在第一階段，電磁系統(tǒng)模型的提取提供了計(jì)算對激勵(lì)的峰值頻率響應(yīng)的能力。在第二階段，電路求解器解決方案捕獲系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

現(xiàn)在，您關(guān)閉回路并使用該實(shí)時(shí)響應(yīng)作為對提取的電磁系統(tǒng)模型的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)，以捕獲真實(shí)的電磁系統(tǒng)響應(yīng)。對于輻射發(fā)射的情況，通過將時(shí)域中瞬態(tài)信號輸出的電壓幅度和相位信息驅(qū)動(dòng)回頻域電磁求解器中的系統(tǒng)模型來閉合環(huán)路。對這種激勵(lì)的電磁響應(yīng)是輻射電場或磁場，代表系統(tǒng)的 EMI。對于傳導(dǎo)發(fā)射的情況，電源線網(wǎng)絡(luò)對瞬態(tài)信號激勵(lì)的頻率響應(yīng)可以作為電路求解器解決方案的一部分直接測量，以揭示傳導(dǎo) EMI 特征。

降低不合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)

監(jiān)管機(jī)構(gòu) EMI 測試通常在產(chǎn)品開發(fā)的最后階段執(zhí)行。很多依賴于這些測試結(jié)果。將 EMI 仿真方法結(jié)合到設(shè)計(jì)過程中，目標(biāo)是避免在該階段出現(xiàn)任何意外。盡管 EMI 的主題很復(fù)雜，但模擬它的核心方法卻很簡單。

將(提取的)電磁解決方案鏈接到時(shí)域電路求解器原理圖，應(yīng)用瞬態(tài)信號源和終端，并生成實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)。

將時(shí)域結(jié)果推回(驅(qū)動(dòng))到(提取的)電磁模型中，并計(jì)算對時(shí)域激勵(lì)的電磁響應(yīng)以捕獲 EMI 特征。

如果不參考 ANSYS 解決方案支持的特定方法、工具和功能來處理不同場景，就很難進(jìn)行這種一般性方法論的討論。在所有情況下，此處定義的方法論都是相同的，即使您可能使用不同的方法和工具。

取得積極成果的關(guān)鍵是在設(shè)計(jì)早期就開始監(jiān)測 EMI過程，并隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的鞏固而繼續(xù)對其進(jìn)行監(jiān)控。

一旦您完成初始 PCB 布局/設(shè)計(jì)，輻射發(fā)射模擬就可以開始為設(shè)計(jì)過程增加價(jià)值。使用經(jīng)過優(yōu)化的電磁求解器可以快速求解這種簡單的平面幾何形狀，您可以快速獲得 EMI 結(jié)果，只需在遠(yuǎn)處測量頻率響應(yīng)，無需復(fù)雜的 EMI 測試室模型。當(dāng)您不知道是否要進(jìn)行進(jìn)一步的布局更改、是否需要外殼或該外殼的組成和外形尺寸是什么時(shí)，這是 EMI 仿真復(fù)雜性的適當(dāng)級別。

因此，開發(fā)團(tuán)隊(duì)很早就掌握了調(diào)查潛在 EMI 問題來源并解決潛在信號完整性問題的知識(shí)或可能存在于板級的電源完整性問題。如果當(dāng)一個(gè)外殼被添加到混合模型中時(shí)，您需要切換到一個(gè)電磁求解器，可以模擬任意三維結(jié)構(gòu)，但 EMI 仿真方法保持不變。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)發(fā)布合格/不合格合規(guī)報(bào)告。ANSYS EMI 仿真方法可提供更多可能。

雖然解決 EMI 問題(通過濾波、信號重新路由、屏蔽/外殼等完成)不在本討論的范圍內(nèi)，但 EMI 仿真方法提供了識(shí)別可能超出發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的頻率和隔離來源。頻率響應(yīng)圖可識(shí)別有問題的信號和諧波。單頻點(diǎn)場圖可識(shí)別這些信號的傳播位置。可以確定地完成預(yù)測癥狀和隔離電磁干擾原因的任務(wù)。

ANSYS 輻射 EMI 解決方案

核心 EMI 仿真方法解決了以下問題：通過仿真計(jì)算 EMI 需要采取哪些措施?

這就引出了如何做的問題：我該怎么做?

有執(zhí)行方法的機(jī)制，但 ANSYS 解決方案的價(jià)值在于，設(shè)計(jì)人員只需專注于工程問題，工具負(fù)責(zé)其余的工作。

1. 將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入 EMI 仿真流程

EMI 仿真方法的第一步是捕獲相關(guān)源數(shù)據(jù)以用于電磁仿真環(huán)境。這是無縫集成開始的地方——它是解決方案準(zhǔn)確性的主要貢獻(xiàn)者。

您不需要為 EM 模型提取創(chuàng)建/重新創(chuàng)建幾何。使用 ANSYS 提供的接口進(jìn)入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)境，EDA 和 MCAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)被直接轉(zhuǎn)換到 ANSYS 環(huán)境中。這消除了將數(shù)據(jù)從一個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)移動(dòng)到另一個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)時(shí)出錯(cuò)的機(jī)會(huì);它還確保解決方案基于一組單一的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入。

EDA和 MCAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換到 ANSYS 環(huán)境中

2. 表征物理組件的電磁行為

EMI 仿真方法的第二步是提取電磁模型，該模型可準(zhǔn)確表征導(dǎo)入的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員對輻射發(fā)射的 EMI 分析要求可以從簡單的——僅 PCB——到復(fù)雜的——PCB 在一個(gè)帶有接收天線的消聲室內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的外殼中。

ANSYS 解決方案在計(jì)算資源與適合每個(gè)復(fù)雜程度的結(jié)果準(zhǔn)確性之間取得了適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

電磁模型的準(zhǔn)確性僅與為描述幾何及其電磁響應(yīng)而創(chuàng)建的網(wǎng)格一樣好。EMI 仿真方法通過直接導(dǎo)入 EDA 和 MCAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性方面提供了領(lǐng)先優(yōu)勢。HFSS 采用自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分來創(chuàng)建一個(gè)有限元網(wǎng)格，該網(wǎng)格絕對符合所有幾何形狀并適用于正在求解的電磁學(xué)。所有 ANSYS EM 求解器都采用了類似的自動(dòng)自適應(yīng)技術(shù)。好處是設(shè)計(jì)工程師不需要關(guān)心創(chuàng)建或細(xì)化網(wǎng)格，這些工具保證了準(zhǔn)確的解決方案。

EM 模型的準(zhǔn)確性僅與為描述幾何形狀及其電磁響應(yīng)而創(chuàng)建的網(wǎng)格一樣好

3. 實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)對真實(shí)信號的響應(yīng)

EMI 仿真方法的第三步是表征系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。ANSYS Circuit 是一種混合電路求解器，能夠處理 EM 求解器在時(shí)域仿真中提取的復(fù)雜 S 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。在Circuit中，EM求解器解決方案成為現(xiàn)實(shí)。提取的 EM 模型鏈接到 Circuit電路原理圖。通過用真實(shí)瞬態(tài)信號驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并適當(dāng)加載輸出，可以模擬實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)。

此時(shí)，EMI 仿真方法需要一些決策。這些工程決策是產(chǎn)品開發(fā)過程的標(biāo)準(zhǔn)部分，因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該已經(jīng)意識(shí)到它們。由于這是一種混合模擬，因此分析可能變得復(fù)雜且執(zhí)行時(shí)間長。因此，將仿真僅限于那些對系統(tǒng)性能至關(guān)重要且可能導(dǎo)致 EMI 的 net是很有用的。這些通常是數(shù)據(jù)流、時(shí)鐘和關(guān)鍵電源信號。捕獲這組結(jié)果的問題包括信號完整性、電源完整性和噪聲耦合——所有潛在的 EMI 罪魁禍?zhǔn)住?/p>

EMI 仿真方法需要頻域和時(shí)域解決方案來計(jì)算輻射特性。來自一個(gè)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)域，反之亦然。動(dòng)態(tài)鏈接是 Circuit混合求解器解決方案的關(guān)鍵支持技術(shù)，可將 EM 模型鏈接到時(shí)域仿真。用戶無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;建立連接后，EM 模型中的任何更改都會(huì)在時(shí)域仿真環(huán)境中動(dòng)態(tài)跟蹤。

推送激勵(lì)是推動(dòng)電路求解器解決方案回到 EM 求解器仿真的使能技術(shù)。這關(guān)閉了頻域 - 時(shí)域環(huán)路，并能夠在 EM 求解器仿真環(huán)境中計(jì)算輻射發(fā)射。使用自動(dòng)轉(zhuǎn)換，電壓幅值和相位信息從瞬態(tài)仿真結(jié)果中提取并返回到場求解器。場求解器使用這些數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)的發(fā)射。

這些關(guān)鍵技術(shù)通過 ANSYS EMI 仿真方法實(shí)現(xiàn)了可能的結(jié)果質(zhì)量——幾何結(jié)構(gòu)的單一來源、電子設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一個(gè)來源和驅(qū)動(dòng)信號的一個(gè)來源，僅通過驅(qū)動(dòng)它們的系統(tǒng)的性能進(jìn)行修改。

4. 閉環(huán)：測量輻射 EMI

EMI 仿真方法的第四步是表征驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的電磁系統(tǒng)響應(yīng)以測量 EMI。對于輻射發(fā)射，此測量在 EM 求解器/頻域中執(zhí)行。執(zhí)行該方法中的所有先前步驟，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)周期中的這一里程碑步驟。

由于 ANSYS 電磁仿真和電路仿真域之間的集成，執(zhí)行 EMI 測量非常簡單。在此之前，電磁系統(tǒng)模型是使用場求解器提取，然后將該電磁解決方案動(dòng)態(tài)鏈接到混合 EM 電路求解器解決方案中，用它來模擬時(shí)域響應(yīng)?，F(xiàn)在在這個(gè)階段，推激勵(lì)功能允許將來自該時(shí)域解決方案的幅度和相位信息推回到電磁模型中以生成 EMI。場求解器使用推送的幅度和相位數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)的發(fā)射。

5. 捕獲結(jié)果和報(bào)告

需要最優(yōu)先考慮的結(jié)果是輻射發(fā)射合規(guī)圖和報(bào)告，只需按一下 ANSYS HFSS 中的按鈕即可生成。如果報(bào)告顯示通過，并且設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對輻射圖中顯示的合規(guī)裕度(遠(yuǎn)處的頻率響應(yīng))感到滿意，則不需要對 EMI 采取任何措施。

如果報(bào)告表明不符合要求，或者如果排放圖顯示存在故障的可能性，那么來自電磁場和電路仿真的可用數(shù)據(jù)將成為識(shí)別和隔離罪魁禍?zhǔn)椎年P(guān)鍵。發(fā)射圖顯示了感興趣的頻率——預(yù)期信號及其諧波以及非預(yù)期信號和任何相關(guān)混頻產(chǎn)物的組合。一旦確定了這些頻率，電磁場圖在單個(gè)頻率點(diǎn)上可以揭示這些頻率的傳播位置，從而可以隔離干擾源。為了幫助這個(gè)過程，可以在 Circuit原理圖中關(guān)閉可疑信號，可以重新運(yùn)行仿真，并且可以重新計(jì)算 EMI 以驗(yàn)證影響。

案例研究示例

這個(gè)來自 Inovax 的示例逐步模擬了整流器的輻射 EMI 測量。在這種情況下，目標(biāo)是復(fù)制完整的監(jiān)管機(jī)構(gòu)測量設(shè)置。解決方案平臺(tái)是結(jié)合 ANSYS Circuit的 ANSYS HFSS。

Inovax 在完成印刷電路板的布局后，便將 EMI 仿真方法運(yùn)用到他們的設(shè)計(jì)過程中。

模擬中包含的驅(qū)動(dòng)信號及其在感興趣的 DC 至 1 GHz 頻帶上的組合頻譜內(nèi)容。信號具有可能導(dǎo)致 EMI 的重要頻譜成分，包括每 55 kHz 間隔的諧波。如果輻射發(fā)射測試顯示過多的 EMI，則此信息可用于識(shí)別最壞情況的違規(guī)者。

Inovax 開發(fā)的原始整流器。該公司希望通過進(jìn)行虛擬 EMI 測試來驗(yàn)證設(shè)備的性能。

Inovax整流器的HFSS模型

在 HFSS 中建模的虛擬EMI 室包括 Inovax PCB 和標(biāo)準(zhǔn)雙錐測量天線。模擬EMI 測量結(jié)果顯示在右下方在這種特殊情況下，對整個(gè) EMI 室進(jìn)行建模以測量輻射 EMI。該模型包括PCB、旋轉(zhuǎn)臺(tái)和接收天線。將其動(dòng)態(tài)鏈接到 Circuit需要將額外的輸出端口添加到接收天線的原理圖中。

在提取電磁解決方案時(shí)，僅包含相關(guān)net進(jìn)行仿真以加速電磁求解器分析。端口應(yīng)用于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開始和結(jié)束，頻率從 DC 掃描到 1 GHz，并創(chuàng)建了 S 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。

模擬的 EMI 測量結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果具有良好的相關(guān)性，并表明 PCB 超出了輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。其中一個(gè)違規(guī)信號發(fā)生在接近 60 MHz 的頻率處。該頻率下的 HFSS 場圖顯示特定 PCB 走線具有高場強(qiáng)。修改這條走線或過濾驅(qū)動(dòng)它的信號可以降低 EMI。

經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)查，通過在輸出端增加電感來調(diào)節(jié)其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的信號，從而降低了 EMI。

早些時(shí)候，有人提到機(jī)械外殼最終被納入該設(shè)計(jì)并包含在 EMI 測量模擬中。從排放圖中可以看出，這確實(shí)消除了任何剩余的輻射排放問題。

Innovax測試結(jié)果

EMI一致性測試的HFSS仿真結(jié)果

帶外殼和不帶外殼的 Inovax 設(shè)備的 HFSS 模擬輻射發(fā)射測試結(jié)果

不帶外殼的 E場

帶外殼的 E 場

總結(jié)

預(yù)測 EMI 是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，可以通過在設(shè)計(jì)過程的早期進(jìn)行 EMI 測量仿真來解決。直接的 EMI 仿真最佳實(shí)踐是準(zhǔn)確表征電子系統(tǒng)的電磁行為，實(shí)時(shí)仿真其性能，仿真監(jiān)管 EMI 發(fā)射測試，并在EMI 問題存在時(shí)捕獲仿真結(jié)果以幫助識(shí)別和隔離干擾源。ANSYS 的工具和支持技術(shù)可幫助公司簡化這種做法以符合法規(guī)，并減少診斷和糾正問題、再制造產(chǎn)品和執(zhí)行另一個(gè)測試周期所需的時(shí)間和成本。

審核編輯：湯梓紅

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