EMC的EM仿真.doc

EMC的EM仿真：控制干扰/TM/EMC_s_EM_simulation_control_interference.htm 技术分类： 测试与测量? | 2010-09-29 Paul Rako，EDN技术编辑 对产品做EM（电磁）辐射仿真有助于确保通过FCC（联邦通信委员会）与CE（欧洲合格评定）测试，使项目跟上计划进度。每款产品都必须做EMC（电磁兼容）测试。FCC要求的测试是，保证产品EM辐射不会干扰无线电、电话与电视的工作。除了EM辐射测试以外，产品还必须具备电磁抗扰度，即一个确定EM脉冲的尖峰不会显著干扰产品的性能（参考文献1）。做EM仿真需要复杂的软件工具。这些仿真必须同时考虑到一个宽广频率范围内的大小特性（图1）。另外，还必须选择一种适当的仿真方法，它可以是一种时域技术，如FEM（有限元方法），或者一种基于频率的方法，如MOM（矩量法）。对于大型问题，需要将仿真打碎为子域，或使用渐近方案技术。 ? ?? ? 一旦拥有了强大的计算机和正确的软件，还必须为软件输入物理与电气数据，方法是采用数据库输入，或送入Gerber与DXF（图形交换格式）文件格式的机械配置，并手工输入介电常数与电路板堆叠结构。最后，必须为软件提供激励数据，如用Spice或S参数数据，或使用对产品中某个子系统的近场仿真结果。Spice与场求解器　　不可能用Spice去仿真EMC，因为Spice是一种针对Kichhoff方程的矩阵算术的计算型求解器，它采用的是分立元件的集总元素模型。最好的情况是，可以用Spice做一根有损传输线的建模，确定其对信号的影响，但无法给出辐射到空间中的场。对于这个问题，需要场求解器做仿真（参考文献2）。场求解器采用有限元、网格和迭代法，为电路设计解算Maxwell方程。EM仿真软件必须考虑设计的机械结构以及使用的材料（见附文1“计算机的能力”）。　　尝试用于仿真的最高频率以及电路的大小决定了将要面对的场求解问题的规模。10MHz时的波长为30m，这意味着1cm的走线要比波长小得多（图2）。软件可能要使走线与较小区段相吻合，以迭代到一种方案。30m波长几乎均匀地作用于1cm走线上。 设想打到一艘军舰上的一个2cm波长10GHz雷达信号。场求解器软件必须将军舰分成数百个微小的网格，船体表面的每个平方厘米都要放入10个甚至100个网格。一艘金属军舰的表面并不是纯粹反射，因此软件必须做3维网格，这就有更多的计算元素，因为还要包括内部区。运行软件的工作站需要数百G字节的内存，用于存储这些网格的中间计算结果，要解算覆盖这么大面积的场需要花几个月时间。可以将问题打碎成为很多域，用迭代解算法，从而解决存储器问题，但这种方案花的时间更多。当你做EMC测试时，很小的机械特性也会带来性能的大变化。盖子上的一条缝，一根错误的走线，或IC封装上的一个铝制散热片，都可能使产品通不过EMC辐射测试。这些机械特性的作用就像天线一样，因此它们也可能接收周围的能量，使产品的电磁抗扰性能不佳。标准要求的符合性频率是在960 MHz以上。因此，EMC的仿真是一个需要大量运算的宽带问题。你必须对这些频率都做仿真；于是，仿真一个大型系统要花的时间是不可接受的。即使对一个相当简单的产品，问题的复杂性也足以让人生畏。另外，还有很多现象也对EMI（电磁干扰）起作用，包括走线的电场辐射、电感的磁场，以及电缆辐射和接受的电磁场。一个典型的EM仿真策略是将问题切分成碎片，并且要看是相对测量还是绝对测量。你需要了解客户使用产品的方式，将自己的EMC分析划分成可管理的片断，然后评估这些片断相对于整个问题的关系。叠加原则可能很有助益。据说，对于全线性系统，两个以上激励在给定位置与时间上产生的净响应，等于每个激励单独造成的响应之和。如果三个主要贡献因素影响着你的EMI特征，那么可以单独激励每一个因素，必要时要使用不同的技术，然后将结果以RMS（均方根）方式加总，前提是它们不相关。不过，有时一个系统会影响到另一个系统，它们有相互作用。　　仿真了PCB（印刷电路板）后，此仿真就表述为一个辐射模型，然后将其插入到一个较大组件中。虽然你可以用类似的信号来仿真PCB的辐射，但你可能有一些，它不仅有电场，也有磁场。围绕这些元件有一个外壳，而产品伸出的电缆都是会辐射能量的天线，使产品无法通过EMC测试，并且也会接收能量，使电路无法通过抗扰度测试。你可能还要决定分立的辐射样式如何加到总辐射水平上。这个决策可能揭示出非线性电路的可怕现实，如为了获得好的效率而将功率驱动到饱和状态。叠加技术不适合于非线性系统，它会使你低估了来自电路的辐射。技术的选择场求解器公司的数学与软件专家们开发了很多方法，帮助你做EM仿真。你可以使用2维仿真程序，如HyperLynx和SIwave（信号完整性波形），评估一块P