工程師必備的電磁干擾EMI和電磁兼容EMC自動(dòng)化模擬工具

工程師必備的電磁干擾EMI和電磁兼容EMC自動(dòng)化模擬工具

      對(duì)于設(shè)計(jì)工程師，有多種替代自動(dòng)EMI / EMC工具，包括檢查PCB（印刷電路板）是否能夠滿(mǎn)足預(yù)定設(shè)計(jì)規(guī)則的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器，可用于提取電感，電容參數(shù)的準(zhǔn)靜態(tài)模擬器當(dāng)元件的尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí)，電阻和電阻，用于通過(guò)基于解析方程的計(jì)算機(jī)計(jì)算簡(jiǎn)單應(yīng)用的快速計(jì)算器，以及全波數(shù)值模擬技術(shù)。這些自動(dòng)化工具可用于解決不同設(shè)計(jì)步驟中的不同EMI / EMC問(wèn)題。但是，沒(méi)有任何自動(dòng)化工具能夠分析整體設(shè)計(jì)并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將發(fā)生在系統(tǒng)中的問(wèn)題。

PCB規(guī)則檢查工具
      PCB設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，涉及到許多層和線，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，手動(dòng)檢查每個(gè)EMI / EMC密鑰網(wǎng)絡(luò)的路由非常困難和無(wú)聊。自動(dòng)化工具能夠從CAD文件中提取PCB設(shè)計(jì)，并向用戶(hù)報(bào)告違反設(shè)計(jì)規(guī)則的位置。一般而言，這些軟件工具可以允許用戶(hù)將設(shè)計(jì)規(guī)則預(yù)先確定為限制條件，甚至可以在可用PCB技術(shù)和速度的條件下創(chuàng)建新規(guī)則。

      PCB規(guī)則檢查器可以在PCB設(shè)計(jì)期間重復(fù)應(yīng)用，以確保設(shè)計(jì)不違反重要的EMC規(guī)則，如果僅在終設(shè)計(jì)步驟中檢查PCB，則根據(jù)規(guī)則進(jìn)行修改可能需要很長(zhǎng)時(shí)間甚至無(wú)法實(shí)施。在設(shè)計(jì)期間對(duì)PCB設(shè)計(jì)的檢查導(dǎo)致避免基于以下EMC規(guī)則的大規(guī)模修改。

      PCB設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器以非常大的速度運(yùn)行并檢查每個(gè)PCB的設(shè)計(jì)規(guī)則，這些工具只是簡(jiǎn)單地為用戶(hù)提供了一些提示，并且未能根據(jù)違反規(guī)則的嚴(yán)重性順序提供指令，一些PCB軟件檢查工具能夠?qū)⒁?guī)則破壞現(xiàn)象與反映信號(hào)數(shù)據(jù)速率和規(guī)則破壞程度的信息聯(lián)系起來(lái)，有利于設(shè)計(jì)人員消除規(guī)則破壞的具體發(fā)生。

電磁兼容測(cè)試模擬工具
      應(yīng)用仿真工具來(lái)精確分析整個(gè)系統(tǒng)的一小部分，無(wú)論供應(yīng)商提供多么出色的屏幕捕獲，目前的EMI / EMC建模工具都無(wú)法完成“所有工作”，因?yàn)榻o(wú)法取代軟件工程師，而且它只是EMI / EMC工程師使用的工具之一。EMI / EMC工程師需要確定哪些設(shè)計(jì)部件需要正向分析和建模。

      一般而言，需要在未解決的問(wèn)題上建立多級(jí)模型，并且后一級(jí)的模型的模擬結(jié)果向下一級(jí)的模型提供輸入信息。該方法通過(guò)分別處理每個(gè)部分中的特殊問(wèn)題并對(duì)結(jié)果進(jìn)行積分來(lái)優(yōu)化模型。因此，與一次太“強(qiáng)力”的建模相比，多級(jí)仿真能夠分析更大規(guī)模的問(wèn)題。此外，EMI / EMC工程師需要更好地了解問(wèn)題和建模技術(shù)，以便找到更多的多級(jí)仿真分工點(diǎn)。

1、準(zhǔn)靜態(tài)模擬器
      準(zhǔn)靜態(tài)模擬器用于提取系統(tǒng)組件的電感，電容和電阻參數(shù)，例如連接器的電參數(shù)，然而，組件的尺寸必須遠(yuǎn)小于具有大頻率的諧波的波長(zhǎng)。這種類(lèi)型的工具能夠快速計(jì)算等效電路的參數(shù)，并且參數(shù)可以應(yīng)用于電路仿真器中比如SPICE。準(zhǔn)靜態(tài)條件的實(shí)現(xiàn)條件之一在于要求建模對(duì)象必須具有小的電氣尺寸。這種類(lèi)型的模擬包括電場(chǎng)和磁耦合而沒(méi)有波的傳輸延遲，這是因?yàn)樵摻?duì)象具有如此小的電尺寸以至于不能引起電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的耦合的延遲。如果組件不能滿(mǎn)足小尺寸的要求，則必須應(yīng)用全波建模方法。

2、全波模擬工具
      與準(zhǔn)靜態(tài)模擬器不同，全波模擬工具不需要對(duì)元件進(jìn)行小的電氣尺寸，相反，麥克斯韋方程式在沒(méi)有簡(jiǎn)化的情況下得到了完全解決，并且有多種類(lèi)型的樣式可用于全波電磁建模技術(shù)。作為好的仿真技術(shù)，全波仿真工具已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)人員和教育工作者常用的仿真工具，同時(shí)它也獲得了多的論證。許多全波模擬技術(shù)僅適用于特定結(jié)構(gòu)，并且針對(duì)不同問(wèn)題的計(jì)算方法修改是如此復(fù)雜。一般不應(yīng)用某些全波模擬技術(shù)，需要在電磁知識(shí)和建模技術(shù)方面有深刻的理解。此外，

      不同的全波模擬技術(shù)在不同方面具有優(yōu)勢(shì)，佳建模技術(shù)是找到適合某個(gè)問(wèn)題的特定模擬要求，普遍的EMI / EMC全波仿真建模技術(shù)包括矩量法（MoM），有限差分時(shí)域（FDTD）技術(shù)，有限元法（FEM），傳輸線矩陣（TLM）和部分元件等效電路（PEEC）技術(shù)。這些不同的全波模擬技術(shù)實(shí)際上是麥克斯韋方程的不同表現(xiàn)形式。

      例如，MoM應(yīng)用麥克斯韋方程的積分方程，需要將導(dǎo)體/金屬切割成具有小電氣尺寸的單元（導(dǎo)體的每個(gè)級(jí)上的電流應(yīng)該是恒定的）?？梢酝ㄟ^(guò)源計(jì)算其他組件單元上的電流和所有電流。一旦獲得所有導(dǎo)體單元上的電流，就可以終計(jì)算出總的產(chǎn)生的電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)。

? FDTD：麥克斯韋方程中的微分形式應(yīng)用于FDTD，相鄰介質(zhì)為空氣，并且通過(guò)金屬和電介質(zhì)的組合進(jìn)行通用建模。與模擬對(duì)象兼容的空間被分成具有小電尺寸的體積元素。每個(gè)體積元素由介電常數(shù)（ε），磁導(dǎo)率（μ）和電導(dǎo)率（δ）定義。顧名思義，F(xiàn)DTD主要應(yīng)用于時(shí)域，因此模型能夠接收以脈沖為激勵(lì)函數(shù)的寬帶響應(yīng)。在FDTD仿真之后，時(shí)域解可以轉(zhuǎn)換為頻域解。

? FEM：它是麥克斯韋方程中的另一種形式，其典型應(yīng)用是頻率解。同樣，模型中的空氣和所有其他材料必須分成電氣尺寸小的單元。通過(guò)FEM應(yīng)用變分技術(shù)來(lái)解決麥克斯韋方程。

? TLM：作為麥克斯韋方程組的另一種形式，典型應(yīng)用在于時(shí)域解決方案。基本上，建模對(duì)象的空間區(qū)域被劃分為多個(gè)3D傳輸線節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)傳輸線節(jié)點(diǎn)上可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)阻抗來(lái)推斷傳輸/反射。每個(gè)單元與一個(gè)節(jié)點(diǎn)兼容。

? PEEC：該技術(shù)是EMI / EMC領(lǐng)域中新的全波方法，在麥克斯韋方程中具有整數(shù)形式，其中單位場(chǎng)之間的所有關(guān)系都被電路關(guān)系取代。所有單元之間的連接通過(guò)局部互感和電容實(shí)現(xiàn)。諸如SPICE的求解器用于模擬整個(gè)電路，并且解決方案將電流和電壓參數(shù)轉(zhuǎn)換為諸如MoM的字段。

      到目前為止，仿真工具變得如此強(qiáng)大，以至于工程師必須依賴(lài)它們，但是，它們無(wú)法取代工程師對(duì)電磁和EMI / EMC設(shè)計(jì)的基本理解。對(duì)于初級(jí)仿真，建議新手工程師進(jìn)行一些培訓(xùn)并參考一些學(xué)習(xí)材料，掌握如何將整個(gè)產(chǎn)品/設(shè)備劃分為多個(gè)仿真模塊并解釋仿真結(jié)果。

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