電磁干擾仿真預測

在當今競爭激烈的市場中設計電子產品時，滿足電磁兼容性 (EMC) 的要求是一個主要的風險因素，特別是因為小的機會窗口對業(yè)務成功至關重要。仿真流程和方法基于一流的工具和經(jīng)過驗證的方法，用于準確模擬電子系統(tǒng)的 EMI 特性。通過在提交監(jiān)管認證之前提供洞察力來實施設計修改，這將使開發(fā)團隊受益。業(yè)界經(jīng)常以一種單一的心態(tài)談論電磁干擾 (EMI)：這是一個問題。

這源于這樣一個事實，即在輻射和傳導發(fā)射的強制性測試期間，直到監(jiān)管機構發(fā)布不合規(guī)報告時，才會認真考慮 EMI。實際上，EMI 只是一種癥狀，而不是設計問題的根源。電子系統(tǒng)產生的過多 EMI 是信號完整性和/或電源分配問題的一個指標，這些問題表現(xiàn)為 EMI。

在設計過程中預測 EMI 的挑戰(zhàn)在于，無法確定地知道無論您采用何種設計最佳實踐從 EMI 的角度來看，使用將保證可接受的結果——直到運行輻射發(fā)射測試。雖然信號濾波、重新布線、屏蔽組件或屏蔽印刷電路板可能是提高功能性能所必需的，但為了控制 EMI 而做更多相同的工作還為時過早。

用于預測 EMI 的最先進仿真方法

本文討論了一種直接的 EMI 仿真方法，可準確表征電子系統(tǒng)的電磁行為、實時仿真其性能、仿真監(jiān)管 EMI 輻射測試并捕獲仿真結果，以在存在 EMI 問題時幫助識別和隔離干擾源。本次討論的基礎是 ANSYS 提供的工具和支持技術，以使其一切正常。

核心 EMI 仿真方法流程

捕獲系統(tǒng)的幾何形狀。

使用 EM 場求解器在感興趣的頻率范圍內對系統(tǒng)的電磁響應進行建模。

將電磁解決方案鏈接到時域電路求解器原理圖，應用瞬態(tài)信號源和終端，并生成實時系統(tǒng)響應。

將時域結果推回到電磁模型中并計算對時域激勵的電磁響應以捕獲 EMI 特征

EMI 仿真問題的范圍

電子設計中的一個阻礙事件是未能遵守輻射和/或傳導發(fā)射的規(guī)定。就診斷和糾正問題、重新制造產品以及重新提交進行測試所需的時間和精力而言，實際開發(fā)成本會迅速增加。因為合規(guī)報告只記錄了失敗，而沒有提供關于失敗原因的見解，監(jiān)管機構的測試對重新設計過程沒有任何價值。

預測 EMI 是一項復雜的挑戰(zhàn)。EMI 感知設計方法的核心要求是執(zhí)行 EMI 測量仿真的能力。在閉環(huán)中運行的電磁場求解器和電路求解器對于精確建模和仿真在三個域中定義的系統(tǒng)特性是必要的：時間、頻率和空間。

電子系統(tǒng)的每一個元素都具有三維物理性——從 IC 和分立元件到印刷電路板和外殼，再到與其他相鄰電子設備的互連和交互。正是這種物理特性直接影響工程師關心的那些設計參數(shù)——信號衰減、傳輸損耗、信號耦合、諧波等。這些參數(shù)也同樣是由功率系統(tǒng)傳導發(fā)射或者空間輻射引起的。電磁場求解器是準確模擬三維系統(tǒng)電響應的合適工具。

雖然電磁求解器解決了 EMI 仿真問題的空間頻率響應問題，但該頻域系統(tǒng)模型僅提供了一半的解決方案。真實信息(例如現(xiàn)代數(shù)字通信)在時域中傳播。

這將 EMI 仿真問題轉移到時域電路求解器領域。對于輻射發(fā)射的情況，其中電磁系統(tǒng)模型被提取為復雜的 S 參數(shù)網(wǎng)絡，需要場路協(xié)同求解器解決方案。通過用真實信號驅動電磁系統(tǒng)模型，混合電路求解器模擬系統(tǒng)的實時性能。在傳導發(fā)射的情況下，系統(tǒng)通常被提取為集總元件模型，設計人員可以使用傳統(tǒng)的電路仿真器。

要預測 EMI，還需要再進行一個仿真階段。在第一階段，電磁系統(tǒng)模型的提取提供了計算對激勵的峰值頻率響應的能力。在第二階段，電路求解器解決方案捕獲系統(tǒng)的實時響應。

現(xiàn)在，您關閉回路并使用該實時響應作為對提取的電磁系統(tǒng)模型的驅動激勵，以捕獲真實的電磁系統(tǒng)響應。對于輻射發(fā)射的情況，通過將時域中瞬態(tài)信號輸出的電壓幅度和相位信息驅動回頻域電磁求解器中的系統(tǒng)模型來閉合環(huán)路。對這種激勵的電磁響應是輻射電場或磁場，代表系統(tǒng)的 EMI。對于傳導發(fā)射的情況，電源線網(wǎng)絡對瞬態(tài)信號激勵的頻率響應可以作為電路求解器解決方案的一部分直接測量，以揭示傳導 EMI 特征。

降低不合規(guī)風險

監(jiān)管機構 EMI 測試通常在產品開發(fā)的最后階段執(zhí)行。很多依賴于這些測試結果。將 EMI 仿真方法結合到設計過程中，目標是避免在該階段出現(xiàn)任何意外。盡管 EMI 的主題很復雜，但模擬它的核心方法卻很簡單。

將(提取的)電磁解決方案鏈接到時域電路求解器原理圖，應用瞬態(tài)信號源和終端，并生成實時系統(tǒng)響應。

將時域結果推回(驅動)到(提取的)電磁模型中，并計算對時域激勵的電磁響應以捕獲 EMI 特征。

如果不參考 ANSYS 解決方案支持的特定方法、工具和功能來處理不同場景，就很難進行這種一般性方法論的討論。在所有情況下，此處定義的方法論都是相同的，即使您可能使用不同的方法和工具。

取得積極成果的關鍵是在設計早期就開始監(jiān)測 EMI過程，并隨著系統(tǒng)設計的鞏固而繼續(xù)對其進行監(jiān)控。

一旦您完成初始 PCB 布局/設計，輻射發(fā)射模擬就可以開始為設計過程增加價值。使用經(jīng)過優(yōu)化的電磁求解器可以快速求解這種簡單的平面幾何形狀，您可以快速獲得 EMI 結果，只需在遠處測量頻率響應，無需復雜的 EMI 測試室模型。當您不知道是否要進行進一步的布局更改、是否需要外殼或該外殼的組成和外形尺寸是什么時，這是 EMI 仿真復雜性的適當級別。

因此，開發(fā)團隊很早就掌握了調查潛在 EMI 問題來源并解決潛在信號完整性問題的知識或可能存在于板級的電源完整性問題。如果當一個外殼被添加到混合模型中時，您需要切換到一個電磁求解器，可以模擬任意三維結構，但 EMI 仿真方法保持不變。

監(jiān)管機構發(fā)布合格/不合格合規(guī)報告。ANSYS EMI 仿真方法可提供更多可能。

雖然解決 EMI 問題(通過濾波、信號重新路由、屏蔽/外殼等完成)不在本討論的范圍內，但 EMI 仿真方法提供了識別可能超出發(fā)射標準的頻率和隔離來源。頻率響應圖可識別有問題的信號和諧波。單頻點場圖可識別這些信號的傳播位置?？梢源_定地完成預測癥狀和隔離電磁干擾原因的任務。

ANSYS 輻射 EMI 解決方案

核心 EMI 仿真方法解決了以下問題：通過仿真計算 EMI 需要采取哪些措施?

這就引出了如何做的問題：我該怎么做?

有執(zhí)行方法的機制，但 ANSYS 解決方案的價值在于，設計人員只需專注于工程問題，工具負責其余的工作。

1. 將設計數(shù)據(jù)導入 EMI 仿真流程

EMI 仿真方法的第一步是捕獲相關源數(shù)據(jù)以用于電磁仿真環(huán)境。這是無縫集成開始的地方——它是解決方案準確性的主要貢獻者。

您不需要為 EM 模型提取創(chuàng)建/重新創(chuàng)建幾何。使用 ANSYS 提供的接口進入行業(yè)標準的電氣和機械設計環(huán)境，EDA 和 MCAD 設計數(shù)據(jù)被直接轉換到 ANSYS 環(huán)境中。這消除了將數(shù)據(jù)從一個數(shù)據(jù)系統(tǒng)移動到另一個數(shù)據(jù)系統(tǒng)時出錯的機會;它還確保解決方案基于一組單一的設計數(shù)據(jù)輸入。

EDA和 MCAD 設計數(shù)據(jù)被轉換到 ANSYS 環(huán)境中

2. 表征物理組件的電磁行為

EMI 仿真方法的第二步是提取電磁模型，該模型可準確表征導入的設計結構。設計人員對輻射發(fā)射的 EMI 分析要求可以從簡單的——僅 PCB——到復雜的——PCB 在一個帶有接收天線的消聲室內旋轉臺上的外殼中。

ANSYS 解決方案在計算資源與適合每個復雜程度的結果準確性之間取得了適當?shù)钠胶狻?/p>

電磁模型的準確性僅與為描述幾何及其電磁響應而創(chuàng)建的網(wǎng)格一樣好。EMI 仿真方法通過直接導入 EDA 和 MCAD 設計數(shù)據(jù)在準確性方面提供了領先優(yōu)勢。HFSS 采用自動自適應網(wǎng)格劃分來創(chuàng)建一個有限元網(wǎng)格，該網(wǎng)格絕對符合所有幾何形狀并適用于正在求解的電磁學。所有 ANSYS EM 求解器都采用了類似的自動自適應技術。好處是設計工程師不需要關心創(chuàng)建或細化網(wǎng)格，這些工具保證了準確的解決方案。

EM 模型的準確性僅與為描述幾何形狀及其電磁響應而創(chuàng)建的網(wǎng)格一樣好

3. 實時模擬系統(tǒng)對真實信號的響應

EMI 仿真方法的第三步是表征系統(tǒng)的實時響應。ANSYS Circuit 是一種混合電路求解器，能夠處理 EM 求解器在時域仿真中提取的復雜 S 參數(shù)網(wǎng)絡。在Circuit中，EM求解器解決方案成為現(xiàn)實。提取的 EM 模型鏈接到 Circuit電路原理圖。通過用真實瞬態(tài)信號驅動系統(tǒng)并適當加載輸出，可以模擬實時系統(tǒng)響應。

此時，EMI 仿真方法需要一些決策。這些工程決策是產品開發(fā)過程的標準部分，因此設計團隊應該已經(jīng)意識到它們。由于這是一種混合模擬，因此分析可能變得復雜且執(zhí)行時間長。因此，將仿真僅限于那些對系統(tǒng)性能至關重要且可能導致 EMI 的 net是很有用的。這些通常是數(shù)據(jù)流、時鐘和關鍵電源信號。捕獲這組結果的問題包括信號完整性、電源完整性和噪聲耦合——所有潛在的 EMI 罪魁禍首。

EMI 仿真方法需要頻域和時域解決方案來計算輻射特性。來自一個域的數(shù)據(jù)驅動另一個域，反之亦然。動態(tài)鏈接是 Circuit混合求解器解決方案的關鍵支持技術，可將 EM 模型鏈接到時域仿真。用戶無需數(shù)據(jù)轉換;建立連接后，EM 模型中的任何更改都會在時域仿真環(huán)境中動態(tài)跟蹤。

推送激勵是推動電路求解器解決方案回到 EM 求解器仿真的使能技術。這關閉了頻域 - 時域環(huán)路，并能夠在 EM 求解器仿真環(huán)境中計算輻射發(fā)射。使用自動轉換，電壓幅值和相位信息從瞬態(tài)仿真結果中提取并返回到場求解器。場求解器使用這些數(shù)據(jù)來計算每個頻率點的發(fā)射。

這些關鍵技術通過 ANSYS EMI 仿真方法實現(xiàn)了可能的結果質量——幾何結構的單一來源、電子設計數(shù)據(jù)的一個來源和驅動信號的一個來源，僅通過驅動它們的系統(tǒng)的性能進行修改。

4. 閉環(huán)：測量輻射 EMI

EMI 仿真方法的第四步是表征驅動狀態(tài)下的電磁系統(tǒng)響應以測量 EMI。對于輻射發(fā)射，此測量在 EM 求解器/頻域中執(zhí)行。執(zhí)行該方法中的所有先前步驟，以實現(xiàn)設計周期中的這一里程碑步驟。

由于 ANSYS 電磁仿真和電路仿真域之間的集成，執(zhí)行 EMI 測量非常簡單。在此之前，電磁系統(tǒng)模型是使用場求解器提取，然后將該電磁解決方案動態(tài)鏈接到混合 EM 電路求解器解決方案中，用它來模擬時域響應。現(xiàn)在在這個階段，推激勵功能允許將來自該時域解決方案的幅度和相位信息推回到電磁模型中以生成 EMI。場求解器使用推送的幅度和相位數(shù)據(jù)來計算每個頻率點的發(fā)射。

5. 捕獲結果和報告

需要最優(yōu)先考慮的結果是輻射發(fā)射合規(guī)圖和報告，只需按一下 ANSYS HFSS 中的按鈕即可生成。如果報告顯示通過，并且設計團隊對輻射圖中顯示的合規(guī)裕度(遠處的頻率響應)感到滿意，則不需要對 EMI 采取任何措施。

如果報告表明不符合要求，或者如果排放圖顯示存在故障的可能性，那么來自電磁場和電路仿真的可用數(shù)據(jù)將成為識別和隔離罪魁禍首的關鍵。發(fā)射圖顯示了感興趣的頻率——預期信號及其諧波以及非預期信號和任何相關混頻產物的組合。一旦確定了這些頻率，電磁場圖在單個頻率點上可以揭示這些頻率的傳播位置，從而可以隔離干擾源。為了幫助這個過程，可以在 Circuit原理圖中關閉可疑信號，可以重新運行仿真，并且可以重新計算 EMI 以驗證影響。

案例研究示例

這個來自 Inovax 的示例逐步模擬了整流器的輻射 EMI 測量。在這種情況下，目標是復制完整的監(jiān)管機構測量設置。解決方案平臺是結合 ANSYS Circuit的 ANSYS HFSS。

Inovax 在完成印刷電路板的布局后，便將 EMI 仿真方法運用到他們的設計過程中。

模擬中包含的驅動信號及其在感興趣的 DC 至 1 GHz 頻帶上的組合頻譜內容。信號具有可能導致 EMI 的重要頻譜成分，包括每 55 kHz 間隔的諧波。如果輻射發(fā)射測試顯示過多的 EMI，則此信息可用于識別最壞情況的違規(guī)者。

Inovax 開發(fā)的原始整流器。該公司希望通過進行虛擬 EMI 測試來驗證設備的性能。

Inovax整流器的HFSS模型

在 HFSS 中建模的虛擬EMI 室包括 Inovax PCB 和標準雙錐測量天線。模擬EMI 測量結果顯示在右下方在這種特殊情況下，對整個 EMI 室進行建模以測量輻射 EMI。該模型包括PCB、旋轉臺和接收天線。將其動態(tài)鏈接到 Circuit需要將額外的輸出端口添加到接收天線的原理圖中。

在提取電磁解決方案時，僅包含相關net進行仿真以加速電磁求解器分析。端口應用于每個網(wǎng)絡的開始和結束，頻率從 DC 掃描到 1 GHz，并創(chuàng)建了 S 參數(shù)網(wǎng)絡。

模擬的 EMI 測量結果與實際測量結果具有良好的相關性，并表明 PCB 超出了輻射發(fā)射標準。其中一個違規(guī)信號發(fā)生在接近 60 MHz 的頻率處。該頻率下的 HFSS 場圖顯示特定 PCB 走線具有高場強。修改這條走線或過濾驅動它的信號可以降低 EMI。

經(jīng)過進一步調查，通過在輸出端增加電感來調節(jié)其中一個驅動器的信號，從而降低了 EMI。

早些時候，有人提到機械外殼最終被納入該設計并包含在 EMI 測量模擬中。從排放圖中可以看出，這確實消除了任何剩余的輻射排放問題。

Innovax測試結果

EMI一致性測試的HFSS仿真結果

帶外殼和不帶外殼的 Inovax 設備的 HFSS 模擬輻射發(fā)射測試結果

不帶外殼的 E場

帶外殼的 E 場

總結

預測 EMI 是一項復雜的挑戰(zhàn)，可以通過在設計過程的早期進行 EMI 測量仿真來解決。直接的 EMI 仿真最佳實踐是準確表征電子系統(tǒng)的電磁行為，實時仿真其性能，仿真監(jiān)管 EMI 發(fā)射測試，并在EMI 問題存在時捕獲仿真結果以幫助識別和隔離干擾源。ANSYS 的工具和支持技術可幫助公司簡化這種做法以符合法規(guī)，并減少診斷和糾正問題、再制造產品和執(zhí)行另一個測試周期所需的時間和成本。

審核編輯：湯梓紅

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