EMC計算方法和EMC仿真：輻射抗擾度（RI）的試行計算方法

大家好!我是ROHM的稻垣。

第21篇是電磁兼容性(EMC)的計算方法和仿真系列的第6篇，我們將介紹輻射抗擾度(RI： Radiated Immunity)的試行計算方法。在車載電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC)相關(guān)的“ISO 11452-2標準中，稱為 ALSE法(Absorber-lined shielded enclosure)”。

該方法是將車載蓄電池、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)、線束、DUT(測試對象)等配置在基準接地面上，從距離DUT(測試對象)1米處的天線施加電磁噪聲(電場)，然后判斷DUT是否發(fā)生誤動作。CISPR25標準的ALSE法是觀測來自線束等的輻射抗擾度，而ISO 11452-2標準的ALSE法則是觀測針對線束等的輻射抗擾度，所以兩者的現(xiàn)象是相反的。

關(guān)于預(yù)測計算，如果環(huán)境是可以通過CISPR25標準ALSE法進行計算的環(huán)境，那么就需要更改一些設(shè)置，但我認為CAD等數(shù)據(jù)幾乎可以直接使用。計算對象除上述項目外，還包括天線信號源(電場)、EMC對策元器件(此處為電容元件C)、DUT(LSI模型，無源器件)、合規(guī)性判斷裝置等。

在本文中，我們將結(jié)合使用電磁場分析和電路分析進行計算。計算的大致思路是通過電磁場分析，根據(jù)天線的電場強度計算出與線束相連接的印刷電路板(PCB)的感應(yīng)電壓。根據(jù)該感應(yīng)電壓和到達DUT(LSI引腳)的電壓，通過電路分析判斷是否存在誤動作。簡而言之，由電磁場分析負責輻射系統(tǒng)(在空氣中傳播信號的部分)，由電路分析負責傳導(dǎo)系統(tǒng)(在導(dǎo)線中傳輸信號的部分)。

電磁場分析(MoM法)的CAD數(shù)據(jù)和計算結(jié)果示例

車載蓄電池、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)、線束、DUT的描述示例

下面我按照順序來逐一講解。在試行計算中，分兩個階段進行處理，第一階段的IB(誤動作閾值)模型提取(Extraction)和第二階段的預(yù)測計算(Prediction)分別使用shell腳本來自動完成。第一階段IB(誤動作閾值)模型提取(Extraction)的計算步驟如下。

■第一階段：IB(誤動作閾值)模型提取(Extraction)

① 首先，根據(jù)上述計算對象制作計算電路圖，即直接連接測試電路使其成為計算電路的示意圖。電磁場分析的電路圖參考上圖即可。電路分析的電路圖與IEC 62132-4標準DPI法(第19篇)中使用的電路圖幾乎相同。

② 在這個試行計算中，希望將測試頻率范圍200MHz～1GHz、電場強度200V/m用作限值。由于Pass/Fail的判定就是測試結(jié)果，所以與第20篇 ISO 11452-4標準HE法(BCI 法)一樣，將Pass設(shè)置為200V/m，將Fail設(shè)置為100V/m，并將其用作預(yù)測計算所使用的實測值。將Pass/Fail的實測判定結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)值并用于計算。

③ 將②中創(chuàng)建的電場強度(所有測試頻率)作為電磁場分析的天線信號源(電場)施加，并計算在裝有DUT(測試對象)的印刷電路板(PCB)上感應(yīng)的電壓值。

④ 接下來，通過電路分析(瞬態(tài)分析，所有測試頻率)計算到達印刷電路板(PCB)上的DUT(LSI引腳)的電壓，并將其用作IB(誤動作閾值)模型。如下圖所示，誤動作的電壓閾值按一定周期波動的線束特性在圖中得到了很好的體現(xiàn)。另外，在這個階段，需要計算出“電場強度與感應(yīng)電壓的相關(guān)系數(shù)”。這樣，根據(jù)實測值自動生成計算機模型，將非常有助于“縮短計算時間”和“提高計算精度”。

IB(誤動作閾值)模型的計算示例

第二階段的預(yù)測計算(Prediction)步驟如下：

■第二階段：IB(誤動作閾值)模型提取(Extraction)

⑤ 創(chuàng)建電路分析所用的預(yù)測計算用電路。與IB(誤動作閾值)模型提取電路之間的區(qū)別在于添加了誤動作判定器(比較器)。通過誤動作判定器(比較器)對到達LSI的電壓值和IB(誤動作閾值)進行比較。

⑥ 首先，將電壓噪聲信號源設(shè)置為衰減振動波形并進行電路分析(瞬態(tài)分析)，即可獲得比如LSI從誤動作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉钦`動作狀態(tài)的情況。在所有測試頻率重復(fù)該步驟。

⑦ 在衰減振動波形中獲得發(fā)生誤動作的電壓值，就可以根據(jù)之前計算出的“電場強度與感應(yīng)電壓的相關(guān)系數(shù)”計算出發(fā)生誤動作的電場強度。這就是所要的預(yù)測計算值。通過使用相關(guān)系數(shù)，可以省略電磁場分析，從而可以縮短計算時間。

⑧ 左下圖為使用與EMC對策前的IB(誤動作閾值)模型提取電路相同的電路進行預(yù)測計算后的曲線圖。實測值與計算值高度一致!

⑨ 在EMC對策電路中，通過電路分析添加了電容元件C，以降低到達DUT(LSI引腳)的電壓噪聲。當時的預(yù)測計算結(jié)果如右下圖所示。如果計算值達到200V/m以上，則表明該值應(yīng)該是符合標準的預(yù)測計算值。如果仔細觀察，可以看出在200MHz～220MHz附近需要再采取一些EMC措施，而更高頻段則無需EMC措施。

左：IB(誤動作閾值)模型創(chuàng)建電路的預(yù)測計算示例

(實測值與計算值一致，黑色：實測值，紅色：計算值，藍綠色：限值)

右：EMC對策電路(添加電容元件C時)的預(yù)測計算示例

(黑色：實測值，紅色：計算值，藍綠色：限值)

如上所述，即使使用普通的電磁場分析工具和電路分析工具，通過將計算結(jié)果自動保存為文本文件(ASCII)并通過(shell)腳本傳遞，就可以相對容易地實現(xiàn)設(shè)計自動化和驗證自動化。

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審核編輯：湯梓紅