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電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

發(fā)布時(shí)間:2018-11-23 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和密集度的提高以及設(shè)計(jì)周期的不斷縮短,在設(shè)計(jì)周期的后期解決電磁兼容性(EMC)問題變得越來越不切合實(shí)際。在較高的頻率下,你通常用來計(jì)算EMC的經(jīng)驗(yàn)法則不再適用,而且你還可能容易誤用這些經(jīng)驗(yàn)法則。結(jié)果,70% ~ 90%的新設(shè)計(jì)都沒有通過第一次EMC測試,從而使后期重設(shè)計(jì)成本很高,如果制造商延誤產(chǎn)品發(fā)貨日期,損失的銷售費(fèi)用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問題,設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮在設(shè)計(jì)過程中及早采用協(xié)作式的、基于概念分析的EMC仿真。
 
較高的時(shí)鐘速率會(huì)加大滿足電磁兼容性需求的難度。在千兆赫茲領(lǐng)域,機(jī)殼諧振次數(shù)增加會(huì)增強(qiáng)電磁輻射,使得孔徑和縫隙都成了問題;專用集成電路(ASIC)散熱片也會(huì)加大電磁輻射。此外,管理機(jī)構(gòu)正在制定規(guī)章來保證越來越高的頻率下的順應(yīng)性。再則,當(dāng)工程師打算把輻射器設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中時(shí),對(duì)集成無線功能(如Wi-Fi、藍(lán)牙、WiMax、UWB)這一趨勢提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
 
傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)方法
 
正常情況下,電氣硬件設(shè)計(jì)人員和機(jī)械設(shè)計(jì)人員在考慮電磁兼容問題時(shí)各自為政,彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們?cè)谠O(shè)計(jì)期間經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)法則,希望這些法則足以滿足其設(shè)計(jì)的器件要求。在設(shè)計(jì)達(dá)到較高頻率從而在測試中導(dǎo)致失敗時(shí),這些電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)則有不少變得陳舊過時(shí)。
 
在設(shè)計(jì)階段之后,設(shè)計(jì)師制造原型并對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性測試。當(dāng)設(shè)計(jì)中考慮電磁兼容性太晚時(shí),這一過程往往會(huì)出現(xiàn)種種EMC問題。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行昂貴的修復(fù)通常是唯一可行的選擇。當(dāng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入具體設(shè)計(jì)再到驗(yàn)證階段時(shí),設(shè)計(jì)修改常常會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。所以,對(duì)設(shè)計(jì)作出一次修改,在概念設(shè)計(jì)階段只耗費(fèi)100美元,到了測試階段可能要耗費(fèi)幾十萬美元以上,更不用提對(duì)面市時(shí)間的負(fù)面影響了。
 
電磁兼容仿真的挑戰(zhàn)
 
為了在實(shí)驗(yàn)室中一次通過電磁兼容性測試并保證在預(yù)算內(nèi)按時(shí)交貨,把電磁兼容設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品生產(chǎn)周期不可分割的一部分是非常必要的。設(shè)計(jì)師可借助麥克斯韋(Maxwell)方程的3D解法就能達(dá)到這一目的。麥克斯韋方程是對(duì)電磁相互作用的簡明數(shù)學(xué)表達(dá)。但是,電磁兼容仿真是計(jì)算電磁學(xué)的其它領(lǐng)域中并不常見的難題。
 
典型的EMC問題與機(jī)殼有關(guān),而機(jī)殼對(duì)EMC影響要比對(duì)EMC性能十分重要的插槽、孔和纜線等要大。精確建模要求模型包含大大小小的細(xì)節(jié)。這一要求導(dǎo)致很大的縱橫比(最大特征尺寸與最小特征尺寸之比),從而又要求用精細(xì)柵格來解析最精細(xì)的細(xì)節(jié)。壓縮模型技術(shù)可使您在仿真中包含大大小小的結(jié)構(gòu),而無需過多的仿真次數(shù)。
 
另一個(gè)難題是你必須在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)完成EMC的特性化。在每一采樣頻率下計(jì)算電磁場所需的時(shí)間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線方法(TLM)等的時(shí)域方法可在時(shí)域內(nèi)采用寬帶激勵(lì)來計(jì)算電磁場,從而能在一個(gè)仿真過程中得出整個(gè)頻段的數(shù)據(jù)。空間被劃分為在正交傳輸線交點(diǎn)處建模的單元。電壓脈沖是在每一單元被發(fā)射和散射。你可以每隔一定的時(shí)間,根據(jù)傳輸線上的電壓和電流計(jì)算出電場和磁場。
 
EMC仿真可得出精確的結(jié)果。圖1對(duì)裝在一塊底板上的三種模塊配置(即1塊、2塊和3塊模塊)的輻射功率計(jì)算值(紅色)與輻射功率實(shí)測結(jié)果(藍(lán)色)進(jìn)行了比較,(參考文獻(xiàn)1)。輻射功率計(jì)算值以1nw 為基準(zhǔn),單位為dB 。你可以把多個(gè)模塊配置的諧振峰值位置存在的小差異歸因于在測量中難以將多個(gè)模塊精確對(duì)準(zhǔn)。值得注意的是,由于三種配置的輸入功率都相同,所以輻射功率的諧振峰值和幅度的差異僅僅是由于系統(tǒng)布局不同引起的。
 
對(duì)裝在一塊底板上的三種模塊配置
 
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
 
潛在應(yīng)用領(lǐng)域
 
EMC仿真可用于檢測元件和子系統(tǒng),如散熱器接地的輻射分布對(duì)頻率特性影響,也可用于評(píng)價(jià)接地技術(shù)、散熱器形狀的影響及其它因數(shù)。此外,你還可比較不同通風(fēng)口尺寸與形狀以及金屬厚度的屏蔽效果。在該領(lǐng)域的最新應(yīng)用中,有一項(xiàng)研究工作是對(duì)采用大口徑通風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)并通過放置兩塊背靠背間隔很小的板來達(dá)到屏蔽效果這種方法進(jìn)行評(píng)估。
 
EMC仿真也適用于系統(tǒng)級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)和優(yōu)化,以便計(jì)算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠(yuǎn)場輻射圖、用來模擬轉(zhuǎn)臺(tái)式測量情況的柱形近場電磁輻射以及用以實(shí)現(xiàn)可視化,有助于確定電磁兼容熱點(diǎn)位置的電流和電磁場分布。典型的系統(tǒng)級(jí)EMC應(yīng)用有:確保最大屏蔽效果的機(jī)殼設(shè)計(jì),機(jī)殼內(nèi)元件分布位置的EMC 效果評(píng)估,系統(tǒng)內(nèi)外纜線耦合的計(jì)算以及纜線輻射效果的檢測。EMC仿真還有助于發(fā)現(xiàn)有害電磁波在機(jī)殼和子系統(tǒng)中的機(jī)理,如空腔諧振,穿過孔、插槽、接縫和其他機(jī)座開口處的電磁輻射,通過纜線的傳導(dǎo)輻射,與散熱器、其他元件的耦合,以及光學(xué)元件、顯示器、 LED和其他安裝在機(jī)座上的元件固有的寄生波導(dǎo)。
 
接頭類型對(duì)EMC 的影響
 
你可以使用簡單而快速建立的機(jī)殼模型來進(jìn)行接縫配置方面的設(shè)計(jì)折衷。圖2對(duì)對(duì)接接頭產(chǎn)生的輻射與重疊機(jī)殼接縫產(chǎn)生的輻射作出評(píng)估。通過比較相對(duì)的屏蔽水平,工程師就可以根據(jù)機(jī)殼的EMC預(yù)算和實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)配置的成本來做出決定。仿真過程中增加內(nèi)部元件僅僅對(duì)仿真時(shí)間產(chǎn)生很小的影響,所以設(shè)計(jì)師可以方便地在引起插槽諧振間耦合、諧振腔模式以及與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的交互作用的真實(shí)環(huán)境下對(duì)接縫屏蔽效果進(jìn)行評(píng)估。插槽泄漏的設(shè)計(jì)規(guī)則不適用于以上幾個(gè)因素,會(huì)導(dǎo)致成本高昂的過設(shè)計(jì)和欠設(shè)計(jì)。
 
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
 
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
 
EMC仿真的典型應(yīng)用是評(píng)估通風(fēng)板的屏蔽效果?,F(xiàn)在雖然有防止EMC泄漏的通風(fēng)板設(shè)計(jì)規(guī)則,但EMC仿真能精確地預(yù)測比較特殊的結(jié)構(gòu),如具有大洞的背靠背通孔板、波導(dǎo)陣列等,并兼顧溫度和成本約束條件。圖3示出了具有圓孔或方孔的不同厚度通風(fēng)板的屏蔽效果的計(jì)算結(jié)果。該圖展示了這些通風(fēng)板厚度(左)和孔形狀(右)的屏蔽效果。
 
散熱器輻射的評(píng)估
 
圖4所示的EMC 仿真應(yīng)用可確定一個(gè)散熱器的電磁輻射。在這一簡單模型中,一個(gè)就在該散熱器下面的寬帶信號(hào)源激勵(lì)散熱器,顯示了散熱器與其所連接的IC之間的電磁耦合作用。該圖示出了三種配置的輻射功率譜。很明顯,輻射電平與幾何形狀和頻率有關(guān)。雖然較小的散熱器接地可降低頻段低頻部分的輻射,但會(huì)使頻段中頻部分的輻射增大。
 
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
 
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
 
解決電纜耦合問題
 
圖5示出了用EMC仿真用來測定系統(tǒng)級(jí)電纜耦合的情況。EMC 仿真工具的幾何結(jié)構(gòu)由一個(gè)19英寸機(jī)架內(nèi)的三個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器組成。一條四線帶狀電纜將上下兩個(gè)集線器中的印制電路板與中間集線器連接起來。中心集線器含有該模型中的唯一EMC信號(hào)源。EMC仿真工具計(jì)算出由中間集線器耦合到上部集線器印制電路板連接線的電流大小。耦合電流在600MHz和800 MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)顯示出兩個(gè)強(qiáng)諧振。解決這類問題的一種常用方法是在受到影響的電纜上增強(qiáng)濾波功能,然后再借助仿真測定此影響。下邊的曲線表明,增加一個(gè)低通濾波器可減小諧振頻率上耦合電流的幅度,但卻不能將其消除。這是一種“應(yīng)急的”方法,因?yàn)樗鼪]有從根本上解決問題。
 
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
 
EMC仿真可使電纜耦合應(yīng)用的內(nèi)在物理過程一目了然,找到問題的根源。在600MHz測定中央集線器內(nèi)部的電場分布,便可確定電場熱點(diǎn),再由電場熱點(diǎn)確定在電纜附近產(chǎn)生高電場的空腔諧振。用一塊金屬隔板把集成器隔離起來,就可有效抑制空腔諧振模式并消除耦合(圖6)。
 
用一塊金屬隔板把集成器隔離起來
 
您可用EMC仿真來確定和解決因溫升而修改設(shè)計(jì)所引起的問題。建立在企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制器節(jié)點(diǎn)(基本上是奔騰雙處理器計(jì)算機(jī))模型上的這一技術(shù)就是一個(gè)例子。在將這一設(shè)計(jì)制作成硬件之后,就用一些熱管代替原來標(biāo)準(zhǔn)的奔騰芯片散熱器,這些熱管的占用面積與散熱器相同,但高度高一些,所用散熱片是水平的,而不是垂直的。
 
一個(gè)寬帶仿真工具可計(jì)算出系統(tǒng)的電磁輻射(圖7)。在這一實(shí)例中,工程師之所以對(duì)由系統(tǒng)中一個(gè)120MHz振蕩信號(hào)引起的輻射進(jìn)行隔離感興趣,乃是因?yàn)闇y量結(jié)果表明存在一個(gè)問題。因此,在計(jì)算寬帶響應(yīng)之后,工程師在后處理中使用間接激勵(lì)來提取對(duì)所需源信號(hào)的響應(yīng),從而產(chǎn)生圖中的離散諧波。這一輻射在120MHz振蕩頻率的主諧波頻率上增加約40dB。很顯然,這樣一種不會(huì)產(chǎn)生有害的熱設(shè)計(jì)修改卻會(huì)對(duì)系統(tǒng)EMC順應(yīng)性產(chǎn)生如此大而嚇人的影響。
 
發(fā)現(xiàn)問題根源后,您就可以探索經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。在本例中,將導(dǎo)熱管頂部與機(jī)殼蓋之間連接一根地線消除容性耦合路徑,就是一種低成本的極好方法。具體的做法是,將一小塊涂有導(dǎo)電膠的防電磁干擾墊片貼于熱管頂部散熱片上,這樣與機(jī)殼頂蓋接觸就會(huì)擠壓墊片,形成一根接地線。圖8示出了電磁輻射圖,其中包括熱管接地后的結(jié)果。這種方法使得輻射與原來的情況實(shí)際上相同,從而在對(duì)輻射不產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下改善了熱性能。
 
在設(shè)計(jì)過程中盡早采用EMC仿真,可在制造原型前研究和預(yù)測關(guān)鍵的EMC現(xiàn)象,從而在滿足EMC要求和提高屏蔽效果兩方面優(yōu)化電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。與先制造原型,再從EMC角度優(yōu)化產(chǎn)品的做法相比,現(xiàn)代仿真工具可使設(shè)計(jì)師評(píng)估更多的設(shè)計(jì),達(dá)到前所未有的水平。此外,值得注意的是,你不可以孤立地進(jìn)行EMC 設(shè)計(jì),因?yàn)橛捎贓MC原因而進(jìn)行設(shè)計(jì)修改常常會(huì)影響其他設(shè)計(jì)問題,如熱管理。因此,有意義的是,EMC 仿真工具可使設(shè)計(jì)師綜合考慮EMC 和其他重要設(shè)計(jì)約束條件,以使系統(tǒng)總成本和系統(tǒng)性能最佳。
 
 
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