電磁兼容(EMC)輻射和敏感度測試的準(zhǔn)備會讓人血壓上升。您的產(chǎn)品能通過測試嗎？如果有良好的設(shè)計習(xí)慣，并依賴對印刷電路板(PCB)布線、接地和屏蔽的直覺，應(yīng)能減少一些緊張，但當(dāng)要進(jìn)入 EMC 實驗室時，仍會面臨一些不確定性。

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

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

許多電路設(shè)計者、系統(tǒng)工程師和 EMC 工程師都使用建模軟件來預(yù)測 EMC 性能。事實上，EMC 工程師通常會在硬件工程師開發(fā)電路，以及 PCB 設(shè)計者布局電路板以前，根據(jù)一些假設(shè)或設(shè)計規(guī)格進(jìn)行系統(tǒng)建模。例如，在有些公司，機械工程師們會使用 EMC 建模工具，以了解一個設(shè)計中優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)對 EMC 有何不利影響。

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

檢查設(shè)計規(guī)則

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

今天有多種數(shù)值方法來解析 Maxwell 方程，并預(yù)測 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。
數(shù)值建模軟件通過解 Maxwell 方程，對一塊 PCB 周圍的 2 維或 3 維空間 E 場和 H 場建立模型。要解出 Maxwell 方程，你必須確定場在其中傳播的幾何尺寸。軟件為模型施加一個時域的高斯脈沖，并繪出響應(yīng)曲線。一個脈沖會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，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)計的進(jìn)展，工程師將增加 IC 位置、散熱器、屏蔽，以及來自 CAD 軟件包的更多精確幾何尺寸。EMC 工程師也可以獲得設(shè)計中所用材料的數(shù)據(jù)，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。圖中用彩色來表示場強。一般情況下，紅色表示最高的場強級。如果你對某個頻率的場有疑問(如時鐘頻率或其諧波)，則必須對每張圖設(shè)定感興趣的頻率范圍。


不過，EMC 建模并不只是針對電路板、模塊和系統(tǒng)，你也可以將其用于器件級。圖 3 是一個 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互感耦合到鄰線上，這會導(dǎo)致器件的功能故障。

即使這個相對簡單的模型也突顯了對某個器件或系統(tǒng)精確建模的復(fù)雜性。一個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。

一個四線的導(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材料特性庫，如導(dǎo)線、外殼和絕緣。)


建模的折衷

假設(shè)一個簡單模型可以包含相當(dāng)多的信息，你會看到，用這些詳細(xì)信息作系統(tǒng)級建模是不實際的。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 模型會將各個區(qū)域集中在一起。這些區(qū)域構(gòu)成一個“mesh”(網(wǎng)格)。圖 4 表示一個 PCB 的網(wǎng)格模型，其中，軟件為每個區(qū)段建立了一個等效電路模型。

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：仿真時間。一個復(fù)雜模型的運行要花數(shù)天時間。這是細(xì)節(jié)與時間之間的折衷。做出折衷決策需要經(jīng)驗和直覺。你不可能仿真整個世界。你必須為自己仿真的內(nèi)容定義邊界。


在開發(fā)一個模型時，要專注于那些比較可能造成 EMC 問題的區(qū)域。在電路板級，它是 IC 布局和布線。在系統(tǒng)級，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、電纜和接縫的開口。EMC 工程師一般能夠根據(jù)自己的經(jīng)驗，提供有關(guān)建模的建議。

在 EMC 和其它參數(shù)之間也會出現(xiàn)折衷，尤其是熱量。外殼開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，工程師一般會在 EMC 仿真的同時使用能模擬系統(tǒng)熱特性的軟件。你經(jīng)常要面臨挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題。數(shù)值 EMC 建?？梢越档蜏y試一款實際產(chǎn)品時所面臨的壓力，但它不能擔(dān)保測試實驗室內(nèi)的成功。沒有什么能替代一名有經(jīng)驗 EMC 工程師的洞察力。

相關(guān)閱讀：

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