智能電器控制板EMC仿真與優(yōu)化：電磁兼容

為了盡早地在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段解決電磁兼容問(wèn)題，設(shè)計(jì)師需要進(jìn)行基于理論分析和協(xié)作設(shè)計(jì)的EMC仿真。本文采用Ansoft SIwave軟件，仿真分析了PCB中高頻諧波干擾對(duì)智能電器控制板電磁兼容性產(chǎn)生的影響。最后，基于仿真結(jié)果對(duì)PCB的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，控制板的EMC問(wèn)題得到了有效的解決。

電磁兼容性反映了電子或電氣設(shè)備/系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求地運(yùn)行且不對(duì)其環(huán)境中其它任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。智能電器是傳統(tǒng)電器與電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，目前，以智能電器為基礎(chǔ)的大型電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行更是起著至關(guān)重要的作用。

由于智能電器經(jīng)常運(yùn)行于高電壓、大電流的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，與被保護(hù)和監(jiān)控的設(shè)備、系統(tǒng)處于同一個(gè)電磁空間，以微型計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)控單元必然會(huì)受到來(lái)自于電力系統(tǒng)的不同能量、不同頻率的電磁干擾，因此，智能電器的電磁兼容問(wèn)題集中在智能電器的控制單元上。

智能電器的電磁兼容性能直接關(guān)系到智能電器的可靠工作，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響。與智能電器功能與原理的研究相比較，EMC問(wèn)題的研究顯得嚴(yán)重不足：在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不能針對(duì)EMC問(wèn)題系統(tǒng)地考慮元件性能的選配和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整合；某個(gè)EMC問(wèn)題的解決經(jīng)常要經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和修改，并且往往不能對(duì)出現(xiàn)EMC問(wèn)題的范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，對(duì)該設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的EMC風(fēng)險(xiǎn)不能給出科學(xué)的預(yù)測(cè)。在設(shè)計(jì)時(shí)有一定的盲目性，往往存在過(guò)度設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題，由此提高了成本、延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。

最經(jīng)濟(jì)有效的電磁兼容設(shè)計(jì)方法是在設(shè)計(jì)的早期階段充分考慮電磁兼容的技術(shù)要求，從國(guó)際上來(lái)看，電磁兼容仿真己經(jīng)成為電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須的一個(gè)步驟，通過(guò)仿真可以在設(shè)備投入生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決電磁兼容問(wèn)題，從而節(jié)省由于電磁兼容不達(dá)標(biāo)造成反復(fù)修改設(shè)計(jì)的成本。

本文采用SIwave仿真軟件，在智能電器控制板設(shè)計(jì)階段，通過(guò)設(shè)計(jì)——仿真——優(yōu)化——仿真的方法，在產(chǎn)品成型之前很好地解決了EMC問(wèn)題。

電磁兼容仿真的基本方法

大體而言，電磁問(wèn)題的計(jì)算方法可分為三類：理論分析法、專家系統(tǒng)及數(shù)值分析法。理論分析法對(duì)問(wèn)題的幾何模型做簡(jiǎn)化和假設(shè)，從而得到近似解。專家系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)不進(jìn)行精確分析，它根據(jù)自身數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)估算相應(yīng)的參數(shù)值。而數(shù)值方法設(shè)法求解帶有相應(yīng)邊界約束條件基礎(chǔ)的場(chǎng)方程（麥克斯韋方程組），對(duì)場(chǎng)進(jìn)行精確的分析。由于數(shù)值方法的精確性，因而此方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

電磁兼容數(shù)值仿真過(guò)程也就是電磁場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算過(guò)程。在求解電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的過(guò)程中，如果數(shù)學(xué)模型是齊次或非齊次偏微分方程，則只有對(duì)于簡(jiǎn)單媒質(zhì)和邊界條件的少數(shù)問(wèn)題，才能由解析方法得到精確解。電磁波散射和衍射問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型是積分方程，求解過(guò)程中的計(jì)算量非常大，所以在過(guò)去計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都十分有限的情況下，要得到解析解是很困難的。

隨著高速大容量電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多維數(shù)值積分、高階矩陣求逆等運(yùn)算己成為可行。自上世紀(jì)六十年代中期開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)在求解導(dǎo)行波、天線和散射等實(shí)際電磁場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。

到目前為止，電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法在解決有關(guān)電磁兼容方面問(wèn)題起到了非常重要的作用，80%的電磁兼容問(wèn)題都能利用仿真在設(shè)計(jì)階段予以解決。數(shù)值分析方法則是把連續(xù)變量函數(shù)離散化，把微分方程化為差分方程，把積分方程化為有限求和的形式，從而建立收斂的代數(shù)方程組，然后利用計(jì)算機(jī)分步進(jìn)行求解。為了精確分析在某一空間范圍內(nèi)隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)，可能需要無(wú)限多個(gè)數(shù)據(jù)。

但是，一方面，由于數(shù)字計(jì)算機(jī)可處理數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)和存儲(chǔ)容量的有限性使其無(wú)法存儲(chǔ)太多的數(shù)據(jù)，另一方面，運(yùn)算速度的有限性使其在有限時(shí)間內(nèi)難以得出對(duì)象的精確解，所以實(shí)際應(yīng)用中必須作些近似和簡(jiǎn)化。

目前計(jì)算電磁場(chǎng)的數(shù)值方法有變分法、時(shí)域有限差分法、矩量法、有限元法、邊界元法等，其中變分法是這些方法的基礎(chǔ)。電磁兼容數(shù)值仿真商用軟件較多，主要有ANSOFT、CST Microwave Studio、 ANSYS（FEKO）、FLO/EMC、EMC2000、IES等。

仿真工具的選擇

EMC仿真軟件能夠?yàn)槲覀兲峁┓浅Ｓ行У母哳l和高速電磁仿真設(shè)計(jì)工具，它集高速電路建模、仿真和優(yōu)化為一體，用仿真代替實(shí)驗(yàn)，可以快速的幫助工程師完成高速電路EMC設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性，減少研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期。

目前，國(guó)際上商業(yè)的EMC仿真軟件有許多種，主要應(yīng)用于高速PCB電路設(shè)計(jì)、各種類型的高頻濾波器設(shè)計(jì)、高頻天線和波導(dǎo)設(shè)計(jì)、傳輸線設(shè)計(jì)（包括微帶、帶狀線和同軸電纜等）、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和電磁分析等。此外，不同仿真軟件對(duì)模型的要求也各不相同。

根據(jù)智能電器控制板的特點(diǎn)，我們選用Ansoft SIwave作為仿真工具，該軟件是一個(gè)精確的整板級(jí)電磁場(chǎng)全波分析工具，它采用三維電磁場(chǎng)全波方法分析整板或整個(gè)封裝的全波效應(yīng)。板上放置去耦電容的作用，改變信號(hào)層或分開(kāi)供電板引入的阻抗不連續(xù)性；信號(hào)線與供電板間的噪聲耦合、傳輸延遲、過(guò)沖和下沖、反射和振鈴等時(shí)域效應(yīng)；本振模和S、Z、Y參數(shù)等頻域現(xiàn)象。其結(jié)果可以先進(jìn)的二/三維方式圖形顯示，并可輸出Spice等效電路模型用于Spice仿真。

SIwave提供了無(wú)縫的集成設(shè)計(jì)流程，可以從標(biāo)準(zhǔn)布板工具如，Cadence Allegro、APD、Zuken CR-5000等所產(chǎn)生的版圖直接輸入到SIwave中進(jìn)行分析。

仿真結(jié)果及分析

為了減小電源/地彈噪聲和EMI輻射，該智能電器控制板采用了多層PCB板結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使得電源平面和地平面耦合更緊，同時(shí)可以嚴(yán)格控制阻抗以防止信號(hào)回路問(wèn)題。但多層板結(jié)構(gòu)會(huì)引起較嚴(yán)重的電源完整性問(wèn)題，地層和相鄰的電源層形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的諧振模式取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸以及疊層的介質(zhì)，由于諧振將導(dǎo)致嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)噪聲，因此，諧振模式的仿真必須在設(shè)計(jì)的前期進(jìn)行。

用SIwave軟件對(duì)控制板的PCB進(jìn)行仿真分析。對(duì)于真實(shí)復(fù)雜的PCB板或IC封裝，包括多層、任意形狀的電源和信號(hào)線，SIwave可仿真整個(gè)電源和地結(jié)構(gòu)的諧振頻率。針對(duì)該控制板，在頻率120MHz～1.2GHz范圍內(nèi)，共計(jì)算10個(gè)諧振模式，如圖1所示。

圖1諧振模式

在每一諧振模式下，整個(gè)板的電壓分布都能以三維圖形加以顯示，比較發(fā)現(xiàn)，在模式2和模式8下，諧振最為嚴(yán)重，電壓分布如圖2和圖3所示。

圖2模式2的電壓分布

圖3模式8的電壓分布

圖4放置去耦電容

控制板要盡可能避免工作在諧振頻率點(diǎn)，如果無(wú)法回避，則可以通過(guò)在PCB板上放置去耦電容改變諧振頻率。

在諧振較嚴(yán)重的區(qū)域共放置21只去耦電容，如圖4所示，在相同的頻率范圍內(nèi)重新計(jì)算諧振模式，結(jié)果表明，在120MHz ~ 1.2GHz內(nèi)只有一個(gè)諧振模式，如圖5所示，與之對(duì)應(yīng)的電壓分布如圖6所示。結(jié)果表明，去耦電容改變了諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制板的工作頻率遠(yuǎn)離諧振頻率，進(jìn)而改善EMC性能

圖5諧振模式

圖6優(yōu)化后的電壓分布

結(jié)論

利用仿真的方法在電子設(shè)備設(shè)計(jì)之初解決EMC問(wèn)題具有重要意義。本文介紹了EMC仿真的基本方法，并借助優(yōu)秀的電磁仿真軟件SIwave對(duì)智能電器控制板進(jìn)行了EMC仿真分析。

該控制板的特點(diǎn)是電源系統(tǒng)較復(fù)雜，由開(kāi)關(guān)電源提供三種不同特性的電源，由于高速PCB的信號(hào)完整性、電源完整性與電磁兼容直接相關(guān)，因此，良好的電源完整性有利于信號(hào)完整性和電磁兼容，依據(jù)這一事實(shí)，對(duì)電源完整性的仿真作為該系統(tǒng)EMI/EMC分析的重點(diǎn)。

仿真分為兩個(gè)階段：優(yōu)化前仿真與優(yōu)化后仿真。由于去耦電容可以改變諧振頻率，因此優(yōu)化的主要手段是在必要的區(qū)域合理地放置去耦電容。仿真結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，PCB表面電壓明顯減小，有效地抑制了輻射，從而改善EMC性能。