【導(dǎo)讀】建模是解決問題的一個(gè)好方法,尤其是在一些無法預(yù)測的又讓心驚肉跳緊張不安的EMC問題上。如果生產(chǎn)的產(chǎn)品不能通過測試,那么意味著一腔努力又可能做了無用功。所以建??梢詭椭覀兘鉀Q許多問題。
電磁兼容(EMC)輻射和敏感度測試的準(zhǔn)備會讓人血壓上升。您的產(chǎn)品能通過測試嗎?如果有良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣,并依賴對印刷電路板(PCB)布線、接地和屏蔽的直覺,應(yīng)能減少一些緊張,但當(dāng)要進(jìn)入 EMC 實(shí)驗(yàn)室時(shí),仍會面臨一些不確定性。
為了減緩焦慮,你可以用軟件對集成電路(IC)、PCB 布線、元件布局、模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行建模。這些建模工具可以使你在建立原型之前深入了解某一設(shè)計(jì)的性能表現(xiàn)。
工具的仿真特性可以使你評估設(shè)計(jì)中的各種折衷因素,以及它們?nèi)绾斡绊?EMC 性能。正如 EMC 設(shè)計(jì)通常是符合性、成本和時(shí)間之間的一種權(quán)衡,建模也是正確性、復(fù)雜性和仿真時(shí)間之間的一種折衷。
許多電路設(shè)計(jì)者、系統(tǒng)工程師和 EMC 工程師都使用建模軟件來預(yù)測 EMC 性能。事實(shí)上,EMC 工程師通常會在硬件工程師開發(fā)電路,以及 PCB 設(shè)計(jì)者布局電路板以前,根據(jù)一些假設(shè)或設(shè)計(jì)規(guī)格進(jìn)行系統(tǒng)建模。例如,在有些公司,機(jī)械工程師們會使用 EMC 建模工具,以了解一個(gè)設(shè)計(jì)中優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)對 EMC 有何不利影響。
這些工程師也可能同時(shí)工作,EMC 工程師為系統(tǒng)建模,而設(shè)計(jì)者開發(fā)電路和 PCB 布局。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者或 EMC 工程師了解電磁干擾(EMI)源的大致位置,而且知道外殼與開口的尺寸,他們就可以著手在 PCB 設(shè)計(jì)者布線期間開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)模型。EMC 工程師開始時(shí)通常只擁有不完全的信息,而在設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)電路設(shè)計(jì)者提供的信息,為自己的模型增加詳細(xì)內(nèi)容,如時(shí)鐘頻率和上升、下降時(shí)間。
檢查設(shè)計(jì)規(guī)則
IBM 的著名工程師 Bruce Archambault 稱,規(guī)則檢查軟件可以將設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)用于一塊電路板,它是現(xiàn)在 EMC 設(shè)計(jì)中最有用的工具之一。例如,一個(gè)規(guī)則檢查器可以告訴你時(shí)鐘信號是否布放得離 PCB 板邊緣過近,或者某只 IC 是否需要一個(gè)去耦電容。
今天有多種數(shù)值方法來解析 Maxwell 方程,并預(yù)測 EMC 性能。它們包括有限元建模(FEM)分析、傳輸線方法(TLM)、有限差分時(shí)域(FDTD)方法等。
商用軟件程序通常僅采用一種建模方法。例如,Ansys 的 IceWave 軟件使用 FDTD,而 Comsol 的 Multiphysics 軟件則使用 FEM,F(xiàn)lomerics 的 FLO/EMC 使用 TLM。Todd Hubing 博士的一篇通俗文章解釋了這些方法,以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
數(shù)值建模軟件通過解 Maxwell 方程,對一塊 PCB 周圍的 2 維或 3 維空間 E 場和 H 場建立模型。要解出 Maxwell 方程,你必須確定場在其中傳播的幾何尺寸。軟件為模型施加一個(gè)時(shí)域的高斯脈沖,并繪出響應(yīng)曲線。一個(gè)脈沖會給你的模型引入很寬范圍的頻率。你可以將響應(yīng)轉(zhuǎn)換到頻域,并將分析限制在感興趣的頻率內(nèi)。
[page]
系統(tǒng)模型
在系統(tǒng)級,EMC 工程師使用基于假設(shè)和初步規(guī)格的建模工具。初始模型可能包含顯示器、電纜的位置以及諸如電源和 PCB 等輻射源,但不包括其它更多的內(nèi)容。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展,工程師將增加 IC 位置、散熱器、屏蔽,以及來自 CAD 軟件包的更多精確幾何尺寸。EMC 工程師也可以獲得設(shè)計(jì)中所用材料的數(shù)據(jù),建模軟件可將這些用于其計(jì)算。
圖 2 顯示的是一臺計(jì)算機(jī)輻射發(fā)散的仿真圖。圖中用彩色來表示場強(qiáng)。一般情況下,紅色表示最高的場強(qiáng)級。如果你對某個(gè)頻率的場有疑問(如時(shí)鐘頻率或其諧波),則必須對每張圖設(shè)定感興趣的頻率范圍。
不過,EMC 建模并不只是針對電路板、模塊和系統(tǒng),你也可以將其用于器件級。圖 3 是一個(gè) IC 內(nèi)部綁定線的 EMC 模型。一根線上原有電流或偶然電流都可以通過互感耦合到鄰線上,這會導(dǎo)致器件的功能故障。
即使這個(gè)相對簡單的模型也突顯了對某個(gè)器件或系統(tǒng)精確建模的復(fù)雜性。一個(gè)模型必須描述一根線兩端之間的電壓 (ΔV)。如果ΔV 大于 0V,則綁定線中將有電流流過。
一個(gè)四線的導(dǎo)納模型要求你知道所涉材料的特性。模型需要每根線的導(dǎo)電率 (δ)、導(dǎo)磁率 (m),以及介電常數(shù) (ε)。然后,你需要指定相鄰兩根線末端的電壓(V 1 至 V 4),并用下面顯示的矩陣計(jì)算出一根線在另一根線中產(chǎn)生的電流,y 11、y 22、y 33 和 y 44 的導(dǎo)納值表示每根線對其自身的作用。所有 y 值均基于器件制造商提 供的 δ、m和 ε 值。(建模軟件通常包含一個(gè)材料特性庫,如導(dǎo)線、外殼和絕緣。)
建模的折衷
假設(shè)一個(gè)簡單模型可以包含相當(dāng)多的信息,你會看到,用這些詳細(xì)信息作系統(tǒng)級建模是不實(shí)際的。因此,通常在某給定區(qū)域或體積內(nèi)特性恒定的假設(shè)下,EMC 模型會將各個(gè)區(qū)域集中在一起。這些區(qū)域構(gòu)成一個(gè)“mesh”(網(wǎng)格)。圖 4 表示一個(gè) PCB 的網(wǎng)格模型,其中,軟件為每個(gè)區(qū)段建立了一個(gè)等效電路模型。
顯然,網(wǎng)格越精細(xì),系統(tǒng)模型就越精確。但高分辨率要付出代價(jià):仿真時(shí)間。一個(gè)復(fù)雜模型的運(yùn)行要花數(shù)天時(shí)間。這是細(xì)節(jié)與時(shí)間之間的折衷。做出折衷決策需要經(jīng)驗(yàn)和直覺。你不可能仿真整個(gè)世界。你必須為自己仿真的內(nèi)容定義邊界。
在開發(fā)一個(gè)模型時(shí),要專注于那些比較可能造成 EMC 問題的區(qū)域。在電路板級,它是 IC 布局和布線。在系統(tǒng)級,要關(guān)注輻射源(IC 和振蕩器)的位置,以及散熱器的位置。你也應(yīng)該關(guān)注外殼上用于顯示器、控制、電纜和接縫的開口。EMC 工程師一般能夠根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn),提供有關(guān)建模的建議。
在 EMC 和其它參數(shù)之間也會出現(xiàn)折衷,尤其是熱量。外殼開口可以散出冷卻部件產(chǎn)生的熱量,但也可以使輻射溢出,并讓外部干擾進(jìn)入。因此,工程師一般會在 EMC 仿真的同時(shí)使用能模擬系統(tǒng)熱特性的軟件。你經(jīng)常要面臨挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題。數(shù)值 EMC 建??梢越档蜏y試一款實(shí)際產(chǎn)品時(shí)所面臨的壓力,但它不能擔(dān)保測試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的成功。沒有什么能替代一名有經(jīng)驗(yàn) EMC 工程師的洞察力。
相關(guān)閱讀:
高速PCB的EMC設(shè)計(jì)與案例分析
馬永健老師談EMC到底該如何設(shè)計(jì)?
21世紀(jì)電磁兼容技術(shù)展望及建議