預測EMC性能的數值模型

電磁兼容(EMC)輻射和敏感度測試的準備會(huì )讓人血壓上升。您的產(chǎn)品能通過(guò)測試嗎？如果有良好的設計習慣，并依賴(lài)對印刷電路板(PCB)布線(xiàn)、接地和屏蔽的直覺(jué)，應能減少一些緊張，但當要進(jìn)入EMC實(shí)驗室時(shí)，仍會(huì )面臨一些不確定性。

為了減緩焦慮，你可以用軟件對集成電路(IC)、PCB 布線(xiàn)、元件布局、模塊設計和系統設計進(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計的性能表現。

工具的仿真特性可以使你評估設計中的各種折衷因素，以及它們如何影響EMC性能。正如 EMC 設計通常是符合性、成本和時(shí)間之間的一種權衡，建模也是正確性、復雜性和仿真時(shí)間之間的一種折衷。

許多電路設計者、系統工程師和 EMC 工程師都使用建模軟件來(lái)預測 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 設計者布局電路板以前，根據一些假設或設計規格進(jìn)行系統建模。例如，在有些公司，機械工程師們會(huì )使用 EMC 建模工具，以了解一個(gè)設計中優(yōu)化的冷卻系統對 EMC 有何不利影響。

這些工程師也可能同時(shí)工作，EMC 工程師為系統建模，而設計者開(kāi)發(fā)電路和 PCB 布局。系統設計者或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(zhù)手在 PCB 設計者布線(xiàn)期間開(kāi)發(fā)一個(gè)系統模型。EMC 工程師開(kāi)始時(shí)通常只擁有不完全的信息，而在設計過(guò)程中，根據電路設計者提供的信息，為自己的模型增加詳細內容，如時(shí)鐘頻率和上升、下降時(shí)間。

檢查設計規則

IBM 的著(zhù)名工程師 Bruce Archambault 稱(chēng)，規則檢查軟件可以將設計規則應用于一塊電路板，它是現在EMC設計中最有用的工具之一。例如，一個(gè)規則檢查器可以告訴你時(shí)鐘信號是否布放得離 PCB 板邊緣過(guò)近，或者某只 IC 是否需要一個(gè)去耦電容。

今天有多種數值方法來(lái)解析 Maxwell 方程，并預測 EMC 性能。它們包括有限元建模(FEM)分析、傳輸線(xiàn)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，Flomerics 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)。

數值建模軟件通過(guò)解 Maxwell 方程，對一塊 PCB 周?chē)?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，并繪出響應曲線(xiàn)。一個(gè)脈沖會(huì )給你的模型引入很寬范圍的頻率。你可以將響應轉換到頻域，并將分析限制在感興趣的頻率內。系統模型

在系統級，EMC工程師使用基于假設和初步規格的建模工具。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容。隨著(zhù)設計的進(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計中所用材料的數據，建模軟件可將這些用于其計算。

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

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

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

一個(gè)四線(xiàn)的導納模型要求你