電磁兼容(EMC)輻射和敏感度測(cè)試的準(zhǔn)備會(huì)讓人血壓上升。您的產(chǎn)品能通過(guò)測(cè)試嗎？如果有良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，并依賴對(duì)印刷電路板(PCB)布線、接地和屏蔽的直覺(jué)，應(yīng)能減少一些緊張，但當(dāng)要進(jìn)入 EMC 實(shí)驗(yàn)室時(shí)，仍會(huì)面臨一些不確定性。

為了減緩焦慮，你可以用軟件對(duì)集成電路(IC)、PCB 布線、元件布局、模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行建模。這些建模工具可以使你在建立原型之前深入了解某一設(shè)計(jì)的性能表現(xiàn)。

工具的仿真特性可以使你評(píng)估設(shè)計(jì)中的各種折衷因素，以及它們?nèi)绾斡绊?EMC 性能。正如 EMC 設(shè)計(jì)通常是符合性、成本和時(shí)間之間的一種權(quán)衡，建模也是正確性、復(fù)雜性和仿真時(shí)間之間的一種折衷。

許多電路設(shè)計(jì)者、系統(tǒng)工程師和 EMC 工程師都使用建模軟件來(lái)預(yù)測(cè) EMC 性能。事實(shí)上，EMC 工程師通常會(huì)在硬件工程師開(kāi)發(fā)電路，以及 PCB 設(shè)計(jì)者布局電路板以前，根據(jù)一些假設(shè)或設(shè)計(jì)規(guī)格進(jìn)行系統(tǒng)建模。例如，在有些公司，機(jī)械工程師們會(huì)使用 EMC 建模工具，以了解一個(gè)設(shè)計(jì)中優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)對(duì) EMC 有何不利影響。

這些工程師也可能同時(shí)工作，EMC 工程師為系統(tǒng)建模，而設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)電路和 PCB 布局。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者或 EMC 工程師了解電磁干擾(EMI)源的大致位置，而且知道外殼與開(kāi)口的尺寸，他們就可以著手在 PCB 設(shè)計(jì)者布線期間開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)模型。EMC 工程師開(kāi)始時(shí)通常只擁有不完全的信息，而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)電路設(shè)計(jì)者提供的信息，為自己的模型增加詳細(xì)內(nèi)容，如時(shí)鐘頻率和上升、下降時(shí)間。

檢查設(shè)計(jì)規(guī)則

IBM 的著名工程師 Bruce Archambault 稱，規(guī)則檢查軟件可以將設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)用于一塊電路板，它是現(xiàn)在 EMC 設(shè)計(jì)中最有用的工具之一。例如，一個(gè)規(guī)則檢查器可以告訴你時(shí)鐘信號(hào)是否布放得離 PCB 板邊緣過(guò)近，或者某只 IC 是否需要一個(gè)去耦電容。

今天有多種數(shù)值方法來(lái)解析 Maxwell 方程，并預(yù)測(cè) EMC 性能。它們包括有限元建模(FEM)分析、傳輸線方法(TLM)、有限差分時(shí)域(FDTD)方法等。


商用軟件程序通常僅采用一種建模方法。例如，Ansys 的 IceWave 軟件使用 FDTD，而 Comsol 的 Multiphysics 軟件則使用 FEM，F(xiàn)lomerics 的 FLO/EMC 使用 TLM。Todd Hubing 博士的一篇通俗文章解釋了這些方法，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
數(shù)值建模軟件通過(guò)解 Maxwell 方程，對(duì)一塊 PCB 周圍的 2 維或 3 維空間 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)建立模型。要解出 Maxwell 方程，你必須確定場(chǎng)在其中傳播的幾何尺寸。軟件為模型施加一個(gè)時(shí)域的高斯脈沖，并繪出響應(yīng)曲線。一個(gè)脈沖會(huì)給你的模型引入很寬范圍的頻率。你可以將響應(yīng)轉(zhuǎn)換到頻域，并將分析限制在感興趣的頻率內(nèi)。
[page]

系統(tǒng)模型

在系統(tǒng)級(jí)，EMC 工程師使用基于假設(shè)和初步規(guī)格的建模工具。初始模型可能包含顯示器、電纜的位置以及諸如電源和 PCB 等輻射源，但不包括其它更多的內(nèi)容。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，工程師將增加 IC 位置、散熱器、屏蔽，以及來(lái)自 CAD 軟件包的更多精確幾何尺寸。EMC 工程師也可以獲得設(shè)計(jì)中所用材料的數(shù)據(jù)，建模軟件可將這些用于其計(jì)算。

圖 2 顯示的是一臺(tái)計(jì)算機(jī)輻射發(fā)散的仿真圖。圖中用彩色來(lái)表示場(chǎng)強(qiáng)。一般情況下，紅色表示最高的場(chǎng)強(qiáng)級(jí)。如果你對(duì)某個(gè)頻率的場(chǎng)有疑問(wèn)(如時(shí)鐘頻率或其諧波)，則必須對(duì)每張圖設(shè)定感興趣的頻率范圍。


不過(guò)，EMC 建模并不只是針對(duì)電路板、模塊和系統(tǒng)，你也可以將其用于器件級(jí)。圖 3 是一個(gè) IC 內(nèi)部綁定線的 EMC 模型。一根線上原有電流或偶然電流都可以通過(guò)互感耦合到鄰線上，這會(huì)導(dǎo)致器件的功能故障。

即使這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型也突顯了對(duì)某個(gè)器件或系統(tǒng)精確建模的復(fù)雜性。一個(gè)模型必須描述一根線兩端之間的電壓 (ΔV)。如果ΔV 大于 0V，則綁定線中將有電流流過(guò)。

一個(gè)四線的導(dǎo)納模型要求你知道所涉材料的特性。模型需要每根線的導(dǎo)電率 (δ)、導(dǎo)磁率 (m)，以及介電常數(shù) (ε)。然后，你需要指定相鄰兩根線末端的電壓(V 1 至 V 4)，并用下面顯示的矩陣計(jì)算出一根線在另一根線中產(chǎn)生的電流，y 11、y 22、y 33 和 y 44 的導(dǎo)納值表示每根線對(duì)其自身的作用。所有 y 值均基于器件制造商提 供的 δ、m和 ε 值。(建模軟件通常包含一個(gè)材料特性庫(kù)，如導(dǎo)線、外殼和絕緣。)


建模的折衷

假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單模型可以包含相當(dāng)多的信息，你會(huì)看到，用這些詳細(xì)信息作系統(tǒng)級(jí)建模是不實(shí)際的。因此，通常在某給定區(qū)域或體積內(nèi)特性恒定的假設(shè)下，EMC 模型會(huì)將各個(gè)區(qū)域集中在一起。這些區(qū)域構(gòu)成一個(gè)“mesh”(網(wǎng)格)。圖 4 表示一個(gè) PCB 的網(wǎng)格模型，其中，軟件為每個(gè)區(qū)段建立了一個(gè)等效電路模型。

顯然，網(wǎng)格越精細(xì)，系統(tǒng)模型就越精確。但高分辨率要付出代價(jià)：仿真時(shí)間。一個(gè)復(fù)雜模型的運(yùn)行要花數(shù)天時(shí)間。這是細(xì)節(jié)與時(shí)間之間的折衷。做出折衷決策需要經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)。你不可能仿真整個(gè)世界。你必須為自己仿真的內(nèi)容定義邊界。


在開(kāi)發(fā)一個(gè)模型時(shí)，要專注于那些比較可能造成 EMC 問(wèn)題的區(qū)域。在電路板級(jí)，它是 IC 布局和布線。在系統(tǒng)級(jí)，要關(guān)注輻射源(IC 和振蕩器)的位置，以及散熱器的位置。你也應(yīng)該關(guān)注外殼上用于顯示器、控制、電纜和接縫的開(kāi)口。EMC 工程師一般能夠根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，提供有關(guān)建模的建議。

在 EMC 和其它參數(shù)之間也會(huì)出現(xiàn)折衷，尤其是熱量。外殼開(kāi)口可以散出冷卻部件產(chǎn)生的熱量，但也可以使輻射溢出，并讓外部干擾進(jìn)入。因此，工程師一般會(huì)在 EMC 仿真的同時(shí)使用能模擬系統(tǒng)熱特性的軟件。你經(jīng)常要面臨挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題。數(shù)值 EMC 建?？梢越档蜏y(cè)試一款實(shí)際產(chǎn)品時(shí)所面臨的壓力，但它不能擔(dān)保測(cè)試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的成功。沒(méi)有什么能替代一名有經(jīng)驗(yàn) EMC 工程師的洞察力。

相關(guān)閱讀：

高速PCB的EMC設(shè)計(jì)與案例分析
馬永健老師談EMC到底該如何設(shè)計(jì)？
21世紀(jì)電磁兼容技術(shù)展望及建議