“仿真”不阿-淺析EMC仿真

EMC&EMC仿真

EMC（電磁兼容）是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中，按設(shè)計要求正常工作的能力，包含EMI（電磁干擾）和EMS（電磁抗擾度）。

EMI(電磁干擾) ：處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運行時，不應(yīng)產(chǎn)生超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的電磁能量；

EMS（電磁抗擾度）：處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運行時，設(shè)備或系統(tǒng)能承受相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾

圖1 EMC測試項簡要分類

EMC問題的本質(zhì)是SI（信號完整性）、PI（電源完整性）問題的延續(xù)，SI、PI和EMC是相互影響的，互相制約的，EMC問題是信號回路和電源回路泄露的能量導(dǎo)致的。

圖2 EMC與SIPI的關(guān)系

EMC（電磁兼容）仿真是基于軟件分析的一種電磁兼容正向設(shè)計方法。從功能上分為電源完整性仿真、信號完整性仿真、EMI和EMS仿真。從形式上分為電路模塊級、PCB級別和系統(tǒng)級的仿真。

EMC設(shè)計的挑戰(zhàn)與仿真的優(yōu)勢

EMC設(shè)計的挑戰(zhàn)

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高密小型化不斷推進(jìn)

• 器件間的間距不斷縮小，相互之間的干擾越來越明顯

• 走線密度快到了物理極限，信號間的噪聲干擾，僅憑經(jīng)驗無法解決

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信號速率越來越大

• 噪聲帶寬也越來越寬，但屏蔽手段的帶寬沒有明顯變化

• 各種寄生雜散效應(yīng)越來越明顯，已經(jīng)不能忽略

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功率器件的功率和開關(guān)頻率越來越大

• 低頻高功率噪聲很難完全屏蔽或濾除

• 由功率器件泄露的電磁噪聲已經(jīng)無處不在

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EMC標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格

• 車載EMC標(biāo)準(zhǔn)明顯嚴(yán)于通信EMC標(biāo)準(zhǔn)

隨著汽車電子的發(fā)展，特別是新能源互聯(lián)網(wǎng)汽車的興起，整車的EMC環(huán)境越來越惡劣，另一方面迫于成本的壓力，意味著在EMC方面的成本縮減，如：減少屏蔽線和金屬材料的使用，控制PCB面積和層數(shù)，提高芯片的集成度。

伴隨著國家和整車廠的EMC標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的EMC設(shè)計面臨諸多挑戰(zhàn)，急需一種正向設(shè)計的方法來解決日益突出的EMC問題。區(qū)別于傳統(tǒng)EMC設(shè)計，EMC仿真作為正向設(shè)計方法逐漸受到業(yè)內(nèi)青睞，它具有以下幾個優(yōu)勢：

• 早期識別EMC風(fēng)險點；

• 快速對比電磁干擾的變化，操作便利，可重復(fù)性高；

• 助力各種防護(hù)設(shè)計的評估計算，便捷建立干擾基線和敏感度規(guī)范；

• 可視化不同EMC設(shè)計的差異，將無形轉(zhuǎn)變成有形；

• 區(qū)別與傳統(tǒng)EMC定位是在EMC認(rèn)證之后打補丁，解決問題方法單一，時間周期長，EMC仿真具備縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，控制設(shè)計風(fēng)險的優(yōu)點。

EMC主流仿真軟件

目前主流的EMC仿真軟件有ANSYS系列和CST系列

圖3 ANSYS與CST電磁仿真系列對比

ANSYS系列

圖4 基于ANSYS的電磁仿真板塊介紹

CST系列

圖5 基于CST的電磁仿真板塊介紹

EMC仿真思路&解決方案

基于項目開發(fā)的各階段，EMC仿真扮演著至關(guān)重要的角色，原理圖階段指導(dǎo)濾波器件選型，layout階段開展器件布局、走線方式、過孔設(shè)計等模塊級、板級甚至系統(tǒng)級的場路協(xié)同仿真，測試階段提供整改思路與解決方案。

圖6 樣品開發(fā)各階段EMC仿真扮演的角色

產(chǎn)品通常集成多種高頻IC器件，容易對外形成電磁干擾及被干擾的場景，關(guān)鍵PCB設(shè)計因素包括電源濾波，疊層，布局等會影響PCB整體的EMC性能，例如數(shù)模混合干擾，電源供電異常，對外輻射超標(biāo)及輻射受擾等現(xiàn)象。基于電磁仿真軟件，結(jié)合場路協(xié)同實現(xiàn)整板建模，定義噪聲源信息或?qū)雽崪y數(shù)據(jù)，分析EMI和EMS的傳播路徑，進(jìn)行全波場路協(xié)同分析，通過諧振、S參數(shù)耦合度、濾波優(yōu)化、串?dāng)_、輻射、回流路徑等功能發(fā)現(xiàn)PCB設(shè)計缺陷，從而及時采取優(yōu)化措施。同時，結(jié)合外殼與線束進(jìn)行雙向協(xié)同建模仿真，模擬測試環(huán)境，指導(dǎo)設(shè)計與整改。

圖7 EMC仿真開展的思路

聯(lián)合電子EMC仿真介紹

圖8 聯(lián)合電子EMC仿真

在原理圖階段，聯(lián)合電子熟練運用濾波電路、防護(hù)電路、器件選型、電源設(shè)計等仿真技術(shù)，并與實測結(jié)果能高度匹配；

在layout階段，聯(lián)合電子掌握器件布局、走線優(yōu)化、過孔設(shè)計、噪聲模擬等，實現(xiàn)了場路協(xié)同的板級輻射、傳導(dǎo)發(fā)射與一系列抗干擾能力的EMC仿真技術(shù)，并已實現(xiàn)多個項目的EMC風(fēng)險評估與產(chǎn)品設(shè)計；

在產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計階段，聯(lián)合電子具備ESD（靜電放電）防護(hù)、EFT（脈沖群抗擾度）防護(hù)、Surge（浪涌抗擾度）防護(hù)、RE（輻射發(fā)射）、CE（傳導(dǎo)發(fā)射）等系統(tǒng)級仿真能力，應(yīng)用于機械設(shè)計、線纜互連、接地設(shè)計等產(chǎn)品開發(fā)過程；

在測試與整改階段，EMC仿真指導(dǎo)產(chǎn)品整改優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，助力產(chǎn)品交付，并進(jìn)行測試驗證進(jìn)行迭代優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)計成本降低，提高產(chǎn)品一次性成功的工程設(shè)計概率。

因此，將EMC仿真融入產(chǎn)品的各個階段，進(jìn)行風(fēng)險識別與主動防御，輸出設(shè)計規(guī)則，降低EMC風(fēng)險轉(zhuǎn)變成EMC問題的概率并進(jìn)行管控風(fēng)險，應(yīng)用仿真滲入研發(fā)流程，已然成為現(xiàn)代科技發(fā)展的必然趨勢。

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