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基于仿真软件的系统EMC设计解析

2018年05月17日 11:35 次阅读

随着现代通信技术的发展,电气及电子设备在各个领域中的应用越来越广,这些设备在工作的同时产生的电磁能量往往影响其它设备的工作,从而形成电磁干扰(EMI)。特别在汽车、飞机、舰艇中,大量的电子设备集中在狭小的空间,相互间的电磁干扰非常严重。同时,由于对电子设备和系统的性能要求越来越高,如加大发射机的发射功率和提高接收机灵敏度以及缩小设备的尺寸,从而进一步加剧了电磁兼容(EMC)和电磁干扰的设计复杂度。

电子设计自动化(EDA)软件的出现极大的拓展了EMC的设计手段,是处理大系统或复杂设备中潜在的多重EMI的实用方法。但是,仿真软件的介入并不意味着工程师不再需要在设计中做出工程判断,相反工程师需要根据专业知识和经验做出更多的工程判断,这些工程判断都会以“已知量”的形式输入到软件程序中,从而使仿真结果更加具有工程价值。从而我们不难发现,仿真软件在电磁兼容设计中起到的主要作用并不是让你的设计变得更“傻瓜”,而是让你在设计过程中更具“洞察力”,大大降低原型加工及测试的不确定性,减少设计迭代次数,缩短产品开发周期,降低研发风险,确保产品质量并通过测试标准。

然而,EMC/EMI类问题在应用仿真软件设计的过程中有其特殊性。通常,仿真软件对于工程问题的处理过程为“建模→复现问题→改进设计”,因为EMC/EMI问题具有随机性和多变性的特点。例如,PCB板上的一个数字芯片的多个I/O管脚上的信号同时0/1翻转时,其干扰电压叠加在电源管脚上就会使该管脚上的电压超出能够容忍的波动范围,而同时发生信号翻转的管脚数目是随机的,此时芯片的I/O管脚可被看作这个同步开关噪声(SSN)问题的噪声源,分析问题的对象为芯片及其外围电路。在PCB层面上,芯片从被分析的对象转变成了PCB的EMI问题中的噪声源之一。当研究对象上升为设备乃至系统级时,PCB则作为整体被视为设备的噪声源。这个例子揭示了EMC/EMI问题具有随机性的原因之一就是噪声源的随机性。此外,干扰途径的多样性也导致EMC/EMI问题具有多变性,因此,完整的“复现”一个实际工程中的EMC/EMI问题是很难做到的。

基于仿真软件的系统EMC设计解析

Ansoft“自顶向下”的全系统电磁兼容设计流程。

尽管很难做到“复现问题”,但只要改变一下传统的针对元器件的设计思路,改由“精确设计”变为“余量设计”,借助仿真软件提供的工程化设计手段,EMC/EMI问题同样迎刃而解。例如,尽管在距离AC电源一定距离上的场的大小是随时间而变化的,但就设计余量而言,在仿真时需要考虑的只是峰值,如此问题就得到了简化。

电磁兼容是一门综合学科,设计人员需要涉猎的专业领域跨微波、机电系统、PCB SI/PI/EMC、甚至芯片设计,相应地完成一个完整的系统电磁兼容设计也需要系统、电路、PCB、电磁场的仿真工具支持,包含电路设计与优化、系统频域和时域特性的综合设计。Ansoft恰好能为设计人员提供这样的一个强大的包含上述功能模块的电磁兼容仿真平台,并且平台上的不同仿真工具之间具有丰富的接口可进行协同仿真,因此非常适合作为系统的电磁兼容仿真平台。在这样的仿真平台上,设计人员可以利用虚拟物理原型,通过完整系统、电路设计和精确的电磁场仿真预测复杂系统的电性能,进行系统、子系统、单机和部件的并行设计,从而实现现代复杂电子系统综合设计和并行设计。

对于进行EMC系统总体评估的设计人员,Ansoft可提供一种“自顶向下”的EMC解决方案。设计人员可先根据系统EMC测试的结果做出适当的工程判断,并结合仿真软件对于超标项进行问题定位。在此阶段,设计人员可先不考虑单板及器件的具体结构,而是根据测试结果采用适当的等效源分析手段。然后,在设备级的设计中采用对单板和机箱的并行设计来改善设备的电磁兼容性。

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