5G時代的EMC模擬挑戰──實作篇

作者 : Ansys

EMC模擬與一般的重複性模擬不同,因此相對而言,EMC模擬涉及面更廣,挑戰也更大。好在現代模擬技術經過幾十年突飛猛進的發展,已經到了比較成熟的階段,可以解決大部分問題。

接續前文:5G時代的EMC模擬挑戰──基礎篇

前文所述,EMC模擬與一般的重複性模擬不同,因此相對而言,EMC模擬涉及面更廣,挑戰也更大。好在現代模擬技術經過幾十年突飛猛進的發展,已經到了比較成熟的階段,可以解決大部分問題。

以Ansys基本的「場路協同」模擬配置,各個模組各司其職,相互配合,以場路協同為核心來思考建立各種部件及系統模型,包括電路、電磁場,進而獲得相應的傳導/輻射模擬結果。配合選項模塊,如參數掃描、自動最佳化,高效能運算等功能,可以大幅提升EMC模擬運算效率,進而提高工作效率、縮短研發週期。

Ansys模擬體系架構提供從晶片、封裝、磁性元件、機電系統、PCB系統、整機/整車系統到環境級系統的建模能力,不同客戶關注的不同EMC問題都能在這裡找到對應的解決方案,同時具備電磁、流體、結構多物理場耦合模擬能力,是全面而強大的體系架構。

 

常見EMC問題案例分析

EMC模擬的案例不勝枚舉,以下是幾個比較常見的EMC模擬應用範例:

1.電路板的電磁輻射

電路板是電子系統的中樞神經,在產品EMC效能中有著舉足輕重的地位,而且也是主要的雜訊源之一,當電路板開關元件工作,高速訊號傳輸,電源波動時就可能造成電路板的對外電磁輻射,這些輻射能量耦合到機殼縫隙、通風口、線纜線束上時就很可能造成整機輻射發射指標超標問題,首先想到的最佳化方式就是對PCB這個雜訊源進行雜訊抑制。影響PCB電路系統EMI效能的因素很多,所以不同工程師設計的電路板的EMC效能也表現不同,這裡面包括:關鍵晶片/元件的布局、疊層設計、電容擺放策略/容值選擇、高速訊號佈線、電源/地的佈線、電源過孔設計、材料及製程選擇等等。

完成一個良好的PCB必須要考慮到訊號完整性、電源完整性以及電磁相容性問題,通過SIwave可以快速建立整板PCB模型,進行各項有關於SI/PI/EMC效能的功能模擬分析,以及自動最佳化分析工具,可以方便定位PCB的雜訊,抑制雜訊強度、提升產品EMC效能。

PCB輻射最佳化前後對比-近場遠場

2. 電路板的EMC規則檢查

在進行PCB的EMC設計時,通常主要依靠工程師的工作經驗,不同設計環節的工程師使用著不同的驗證方法,或者根本無驗證手段。一些不適當的佈線方式很難發現,也不可能特意去花精力進行模擬。例如線寬間距,退耦過孔與焊盤的距離,IO電路與高速元件間距等,這些細微的設計因素在整個電路板EMC當中也不可以忽視。

EMI scanner規則檢查

 

3. 開關電源傳導干擾

開關電源式配接器以強勁的發展趨勢超越了工頻變壓器式適配器,但開關電源的電磁相容性較差,隨著開關電源工作頻率不斷提高,電磁干擾問題也變得日益嚴重,模擬勢在必行。

在進行開關電源模擬時,主要是用Q3D抽取傳播路徑的參數模型,如PCB、線纜的RLC寄生參數,分析零部件的高頻特性,如電阻、電容、電感、變壓器等的高頻特性,可以利用Maxwell/PExprt對電力電子部件進行建模模擬,然後在機電系統平台Simplorer當中,將這些電阻、電容、電感、變壓器、MOSFET、二極管等部件的高頻模型連接成完整的開關電源模擬電路,即可獲得其對外傳導干擾的差模與共模雜訊頻譜分佈。對比相應CE標準可知其EMC效能狀態,然後進行電路的最佳化改善分析。

4.接地系統的設計最佳化

接地設計是電力電子設備的主要難點之一,劣質的接地設計將使得設備雜訊強度增大,進而影響晶片電路元件的正常工作,甚至會燒毀關鍵元件,同時也會造成更大的輻射與干擾問題。理論上,低頻電路單點接地,高頻電路多點接地,複雜電路系統採取混合接地,但具體接地方式帶來的接地阻抗,共地阻抗的影響,理論分析很難獲得量化的結果。

運用軟體Q3D能夠對系統接地通路設計進行虛擬建模,抽取接地阻抗,結合電路系統simpolrer/Circuit軟體搭建電路系統分析,就能獲得接地設計的缺陷,進而指導接地設計的最佳化,找到最佳接地方式。

5. 線纜的輻射發射分析

線纜的佈局與接地可以直接影響電子設備的EMC特性,在高頻段,線纜類似於單極子天線,會將線纜當中的雜訊通過空間輻射出去,形成對外干擾,同時也會耦合到來自其他高頻雜訊源的能量,如點火系統,天線、開關元件、高速電路板等,然後線纜將能量傳導到電路內部,進而造成對敏感電路受干擾,也就會影響設備的整機EMC測試表現結果。

通常線纜的選型與佈局必須進行仔細的虛擬分析,否則可能造成整機產品的EMC效能不滿足指標要求。通過Q2D建立線纜截面模型,通過circuit指定各個線纜端子的雜訊頻譜和負載電路,然後在HFSS裡面建模外殼模型以及其他結構件,指點線纜佈線路徑,即可與Q2D聯合,實現3d cable modeling技術,快速完成線纜輻射模擬。

 

汽車線纜的輻射-空間輻射場分佈

 

6. 電磁敏感度分析-ESD抗擾

電磁敏感度分析,即EMS效能要求,表明在受到電磁雜訊“攻擊”的情況下的EMC相容能力,通常測試內容包括ESD\EFT\Surge\RS\CS\PMS等,而在運用模擬技術進行建模分析最佳化時,同樣可以從電路、空間電磁場兩個角度來進行建模分析,觀測電路上的電壓電流雜訊以及空間上的電磁場干擾。

根據不同的分析目標,採用適合的軟體進行建模模擬,例如電路板的ESD抗擾模擬,基本構想是通過Q3D建立測試環境的3D模型,抽取測試桌面與地面的關鍵寄生參數,SIwave建立電路板模型,在觀測點與ESD雜訊注入點添加端口提取寬頻S參數,然後在電路系統Circuit中集合ESD激勵模型、元件模型(TVS\Common choke等)、提取的PCB參數模型建立完整的ESD分析電路,即可獲得觀測點的電壓電流時域、頻域結果,進而可以分析產品ESD抗擾能力,指導產品的抗擾設計最佳化。

R19版Circuit整合常用EMC工具

 

7. PCB的輻射敏感度最佳化

待測設備暴露在外界電磁雜訊輻射情況下,電路系統是否會出現異常。一般在EMC暗室/GTEM小室測試該項效能,很多弱電控制系統處在惡劣的電磁環境當中,容易受到來自外界的高頻,高壓電磁場的輻射影響,例如高頻天線,大功率開關,汽車點火系統等,PCB上的關鍵敏感電路耦合到外界的電磁能量,轉換成干擾訊號,進而影響晶片正常工作,出現控制系統異常或失效的現象,可能會造成非常嚴重的後果。

在這方面,Ansys的SIwave工具能夠定義電磁輻射源的強度和方向,用於PCB的抗輻射特性模擬,獲取各個敏感電路節點上的感應電壓強度,進而指導電路板設計的抗輻射最佳化設計。

8. 機殼屏蔽效能分析

當機殼有各種通風口、接口、縫隙時,內部雜訊源通過空間輻射的路徑,在這些結構特徵上會形成電磁能量的輻射與洩露。對於整機EMI效能,從阻止傳播路徑的角度,可以單獨對機殼進行建模,在HFSS軟體當中可以支持各類電磁雜訊的直接定義,例如電偶極子,磁偶極子,平面波,高斯波,柱行波等,無需創造實體雜訊元件模型即可對機殼進行電磁屏蔽效能分析。

當然,亦可引入其他模擬結果來源資料,如SIwave模擬的電路板輻射。模擬完成後可查看空間電磁場強度分佈,可以發現不同頻點的電磁洩露情況、主要洩露的位置、以及遮罩效能值。進而可以發現機殼的設計缺陷,找到修改措施。

機殼屏蔽效能-電磁洩露

9. 整機系統電磁輻射發射分析

整機系統通常包含外殼,各類電路板,線纜,開關元件等,通常這類模擬建模涉及的電子部件會較多,所以相對來說,模擬也就越趨複雜。

Ansys在這方面採用不同軟體模型數據相互傳遞的構想實現整機系統的建模與模擬,所以建模難度不算複雜。主要是基於HFSS全波電磁場模擬軟體,HFSS建立整機外殼結構件的模型及材料,將SIwave模擬獲得的PCB輻射數據導入進來,然後Q2D建立的各類線纜的截面場和雜訊端子頻譜定義,在HFSS指定線纜路徑即可引入3D空間線纜的輻射數據。另外,也可引入用Maxwell建立的低頻元件電磁場數據,如火星塞、電感線圈等,將各個部件場數據映射在整機外殼內部空間的相應位置,即可完成寬頻帶的整機輻射發射分析。

以上是EMC模擬部分案例,類似案例還有很多,譬如機箱諧振分佈,數位模型混合干擾,馬達驅動系統傳導干擾,線纜捆紮干擾,PCB關鍵晶片佈局,EFT,BCI大電流注入,設備輻射受擾分析等,在這裡就不一一列舉。

平台級一站式EMC解決方案

綜合以上所述,EMC模擬已是電子及電力電子產業高速發展趨勢的必要分析手段,是門科技藝術,同時也是門科技工程。在5G的背景下,頻段高、速率高、密度高,帶來的EMC問題必然龐大,在萬物互連的複雜電磁環境中,企業需要的是平台級的一站式EMC解決方案,需要提供小到晶片、封裝、PCB,大到平台、機房、資料中心、城市環境等在內的全覆蓋電磁相容模擬和最佳化設計。

這就要求模擬軟體體系架構需要滿足以下幾個方面的要求:

  • 不同尺度,不同背景產品的模擬技術,包括晶片,PCB,天線,馬達,電纜等各種電子零部件的建模和參數提取能力;
  • 將上述各個零組件模型,透過電路與系統的方式,無縫連接成一個整體,實現從上到下的系統級模擬模型和模擬體系,底層數據互連互通,共享且同步更新;
  • 跨學科的綜合設計能力,能考慮高功率,震動,風力,氣候等條件下的產品綜合效能,各個方面的分析可以是相互依賴,相互影響的,進而保證產品模擬的真實性;
  • 跨學科的最佳化能力,軟體體系需要具備強大的底層最佳化,能夠驅動不同學科,不同領域的軟體,共同完成複雜多參數空間的快速分析和最佳化設計,快速找到最佳方案。

Ansys所提供的EMC模擬解決方案就是一個可實現從元件到系統之詳細建模分析的工具,方便定位EMC根源問題,可以量化分析設計狀態、空間電磁場可視化,同時可以讀取測試數據進行測試虛擬聯合分析的理想選擇。

(本文由Ansys供稿)

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