5G時代的EMC模擬挑戰──基礎篇

作者 : Ansys

電磁環境急劇惡化,隨之帶來的挑戰就是要在如此複雜惡劣的電磁環境之下,設計出依然滿足電磁相容性EMC認證要求的高效能產品。因此EMC設計是當今複雜電子產品設計中極其重要的一環。

迎接5G時代的到來,各產業皆面臨創新升級,無疑需要藉助5G推動產業發展。智慧生活場景,物聯網(IoT)、AI、自動駕駛、大數據運算等新興技術的蓬勃發展,讓電子裝置種類豐富多樣,且全頻段覆蓋。電磁環境急劇惡化,隨之帶來的挑戰就是要在如此複雜惡劣的電磁環境之下,設計出依然滿足電磁相容性EMC認證要求的高效能產品。因此EMC設計是當今複雜電子產品設計中極其重要的一環。

何謂EMC?

EMC 是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作,且不對環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力,也就是我們常說的電磁相容性。該定義包含兩層含義,即該設備應具備一定的電磁抗擾能力(EMS),並且自身產生的電磁干擾不能對其他電子產品產生過大的影響,即電磁干擾能力(EMI)。這種能力,是整個電子系統內部及外部的表現,可以稱得上既要能做到安內,也要能做到攘外。各產業有其對應的EMC認證標準,如何通過相關電磁相容性認證幾乎是所有帶電產品需要面臨的問題。

通常我們理解一個EMC問題是從其關鍵三要素出發:干擾源、傳播路徑、受擾體。

 

 


對於傳統的測試來說,當在EMC實驗室或者暗室測試發現產品不滿足相應EMC認證要求時,或者發現電子系統中存在被干擾的受擾體時,想要解決這類問題,也是從這三要素去思考解決辦法:

降低干擾源強度──干擾源頭在哪裡?一般電子設備干擾源是時脈晶片,開關元件,高速晶片,電源,汽車機電電力系統中還有火星塞、馬達、電磁閥、繼電器等。我們思考的問題是有沒有辦法去降低這些干擾源的干擾強度?如果有,通常是降低驅動能力,降低開關頻率,降低功率等,以犧牲一定的電力效能來提升EMC相容性。

最佳化傳播路徑──雜訊的傳播路徑在哪裡?當降低雜訊源強度有難度或者不能很好地滿足EMC效能時,這時可以選擇從傳播路徑上改善設計,分析雜訊傳播路徑的位置,以及阻止雜訊傳播的方式,而通常傳播路徑主要分兩種:

  • 傳導路徑──如電源導線、訊號導線、接地系統、線纜、PCB走線、連接器等,這種途徑通常採用的是電路的濾波處理,將諧波雜訊去除。
  • 輻射路徑──主要是電路板的輻射、線纜的輻射、機殼縫隙的輻射、電磁場近場耦合等,通常採用屏蔽接地、貼吸波材料等。
  • 保護受擾體──發現被干擾的對象後,有時從電路層面上保護受擾對象,如濾波,箝位等,有時從空間電磁場層面保護受擾對象,如隔離、屏蔽接地等。

EMC之於產品設計

傳統EMC設計通常是產品做出來之後測試,發現問題再去解決問題,雖然有分析構想,然而當我們面臨一個龐大而複雜的電子系統時,要去找到干擾源或者阻止傳播路徑不是一件容易的事情,因為雜訊源可能有幾個、甚至幾十個,傳播路徑更是相當複雜,即有傳導又有輻射,你會很難透過後期的除錯去解決所有的問題。

EMC設計直接關係到產品的穩定性、安全性、可靠性等,是產品設計過程中,必須邁過的門檻。有什麼方式可以在前期設計階段就解決這類EMC設計問題呢?答案就是藉助先進的模擬技術。

運用電腦軟體模擬技術完成對產品的研發及世代更新,這已是當今高科技企業普遍採取的技術手段。電磁相容問題,也可運用模擬技術完成分析和最佳化設計,在設計的前期、中期,以及產品除錯階段,皆可運用模擬技術,輔助我們完成複雜設備,複雜環境的各類電磁相容問題。

EMC模擬的藝術性與工程性

EMC模擬分析,像是個藝術創作過程,因為不同的工程師,對產品系統認知程度不同、對EMC模擬構想不同、對軟體功能認識不同,建立的模型也會不同。因而模擬的結果也不一樣,這是EMC模擬工作的藝術特性,有著仁者見仁智者見智的意思。

即使不同工程師建立不同模型,模擬出不同結果,只要正確掌握模擬技術以及EMC相關理論和設計構想,依然能夠模擬分析出對產品的EMC效能提升非常有價值的最佳化建議,或者修改方式,進而展現EMC模擬的工程性。

此外,EMC模擬又跟天線、馬達、高速訊號完整性等領域的模擬技術有所不同。這些領域追求與測試結果的一致性,正確反應產品設計現狀。而面對複雜系統的整機EMC模擬,例如產品包含機殼、各種數位處理板,射頻電路,電源電路板,線纜以及各種連接器、結構件等,這時候EMC模擬的真正目標,並非是獲得與EMC測試結果或者現象非常一致的模擬結果,而是應以盡可能簡單的模型反應產品關鍵設計因素,以在最短的運算時間內獲得對產品EMC效能有益的最佳化設計或除錯措施。

EMC模擬沒有想像那麼難

有時候我們並不一定能夠取得系統當中的某些電子零件模型/資訊以用於建模模擬,甚至大多數時候都無法取得,但是因為我們追求的目標並非是要與測試結果保持一致,而是解決與最佳化EMC問題,所以某些零件模型的準確數據並不會顯得那麼重要,可以利用替代模型甚至可以不用。

舉例來說,電路板上電源晶片對模擬電路存在干擾,我們可能無法獲得這些DC/DC雜訊元件模型及其輸出雜訊,但我們可以考慮從傳播路徑的角度來最佳化雜訊元件對敏感電路的干擾問題,改善電路板設計,包含元件的佈局與佈線。用軟體數值運算技術,幫我們定量計算複雜的PCB雜訊耦合,從模擬結果中可以找到最佳化改善干擾問題的辦法與措施。

又或者整機輻射發射超標問題,如果是外殼通風口電磁洩露導致,無需建立內部各種雜訊源模型,完全可以單獨對機殼進行建模分析,最佳化通風孔設計策略,進而達到滿足EMC效能指標的目的,當然亦可以對內部雜訊源進行建模最佳化分析,同樣能提升整機EMC效能,這是EMC模擬的特殊性,也是它的藝術性。

面對複雜電子系統, EMC模擬究竟該如何操作?最好是能在產品研發前期,採用逐一攻破的策略進行建模模擬,將複雜系統問題簡單化,主要可以分為以下幾個主要部分:

  • PCB的EMC分析──隔離度、電源濾波、輻射、傳導、時脈干擾、ESD、接地、高速串擾等;
  • 線纜的EMC分析──佈局、輻射、捆紮耦合,接地等;
  • 機殼的EMC分析──屏蔽效益、諧振分佈、元件部件、電磁洩露等;
  • 接地系統EMC分析──接地阻抗、共地阻抗、接地雜訊等;
  • 整機系統的EMC分析──輻射發射、輻射抗擾等;
  • 環境級EMC分析──RFI、天線共址,接收靈敏度等。

一般最後再考慮做整機系統的EMC模擬,這樣拆分的好處是建模簡單、問題好定位、最佳化措施有針對性,建模模擬效率高,從概念設計到後期產品除錯都可以進行模型的建立與分析,最重要的還是在產品的EDA/CAD開發階段,這時候可選的最佳化設計措施會更多,模型數據會更充分。

儘管EMC模擬涉及面廣、挑戰也大,好在現代模擬技術經過幾十年的發展已經到了比較成熟的階段,可以解決大部分問題…接下來看這些模擬解決方案如何克服EMC模擬挑戰。繼續閱讀:5G時代的EMC模擬挑戰──實作篇

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