唐 駿 陳麗安 孫 園

（廈門理工學(xué)院電子與電氣工程系，福建 廈門 361024）

1 引言

電磁兼容性反映了電子或電氣設(shè)備/系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求地運(yùn)行且不對其環(huán)境中其他任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力[1]。智能電器是傳統(tǒng)電器與電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，目前，以智能電器為基礎(chǔ)的大型電力設(shè)備的在線監(jiān)測，對于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行更是起著至關(guān)重要的作用， 由于智能電器經(jīng)常運(yùn)行于高電壓、大電流的現(xiàn)場環(huán)境中，與被保護(hù)和監(jiān)控的設(shè)備、系統(tǒng)處于同一個電磁空間，以微型計算機(jī)為核心的監(jiān)控單元必然會受到來自于電力系統(tǒng)的不同能量、不同頻率的電磁干擾，因此，智能電器的電磁兼容問題集中在智能電器的控制單元上。智能電器的電磁兼容性能直接關(guān)系到智能電器的可靠工作，進(jìn)而對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響。與智能電器功能與原理的研究相比較，EMC問題的研究顯得嚴(yán)重不足：在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，不能針對 EMC問題系統(tǒng)地考慮元件性能的選配和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整合；某個 EMC問題的解決經(jīng)常要經(jīng)過反復(fù)的試驗和修改，并且往往不能對出現(xiàn) EMC問題的范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，對該設(shè)計可能出現(xiàn)的EMC風(fēng)險不能給出科學(xué)的預(yù)測。在設(shè)計時有一定的盲目性，往往存在過度設(shè)計和設(shè)計不足的問題，由此提高了成本、延長了開發(fā)周期。

最經(jīng)濟(jì)有效的電磁兼容設(shè)計方法是在設(shè)計的早期階段充分考慮電磁兼容的技術(shù)要求，從國際上來看，電磁兼容仿真己經(jīng)成為電子設(shè)備設(shè)計時必須的一個步驟，通過仿真可以在設(shè)備投入生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)問題、解決電磁兼容問題，從而節(jié)省由于電磁兼容不達(dá)標(biāo)造成反復(fù)修改設(shè)計的成本[2]。本文采用SIwave仿真軟件，在智能電器控制板設(shè)計階段，通過設(shè)計——仿真——優(yōu)化——仿真的方法，在產(chǎn)品成型之前很好地解決了EMC問題。

2 電磁兼容仿真的基本方法

大體而言，電磁問題的計算方法可分為三類：理論分析法、專家系統(tǒng)及數(shù)值分析法。理論分析法對問題的幾何模型做簡化和假設(shè)，從而得到近似解。專家系統(tǒng)對場不進(jìn)行精確分析，它根據(jù)自身數(shù)據(jù)庫，來估算相應(yīng)的參數(shù)值。而數(shù)值方法設(shè)法求解帶有相應(yīng)邊界約束條件基礎(chǔ)的場方程(麥克斯韋方程組)，對場進(jìn)行精確地分析。由于數(shù)值方法的精確性，因而此方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

電磁兼容數(shù)值仿真過程也就是電磁場問題的數(shù)值計算過程。在求解電磁場邊值問題的過程中，如果數(shù)學(xué)模型是齊次或非齊次偏微分方程，則只有對于簡單媒質(zhì)和邊界條件的少數(shù)問題，才能由解析方法得到精確解。電磁波散射和衍射問題的數(shù)學(xué)模型是積分方程，求解過程中的計算量非常大，所以在過去計算機(jī)存儲容量和運(yùn)算速度都十分有限的情況下，要得到解析解是很困難的[3]。隨著高速大容量電子計算機(jī)的迅速發(fā)展，利用計算機(jī)進(jìn)行多維數(shù)值積分、高階矩陣求逆等運(yùn)算己成為可行。自上世紀(jì)六十年代中期開始，計算機(jī)技術(shù)在求解導(dǎo)行波、天線和散射等實際電磁場問題的數(shù)值計算中得到了廣泛應(yīng)用。到目前為止，電磁場數(shù)值分析方法在解決有關(guān)電磁兼容方面問題起到了非常重要的作用，80%的電磁兼容問題都能利用仿真在設(shè)計階段予以解決。數(shù)值分析方法則是把連續(xù)變量函數(shù)離散化，把微分方程化為差分方程，把積分方程化為有限求和的形式，從而建立收斂的代數(shù)方程組，然后利用計算機(jī)分步進(jìn)行求解。為了精確分析在某一空間范圍內(nèi)隨時間變化的電磁場，可能需要無限多個數(shù)據(jù)。但是，一方面，由于數(shù)字計算機(jī)可處理數(shù)據(jù)的字長和存儲容量的有限性使其無法存儲太多的數(shù)據(jù)，另一方面，運(yùn)算速度的有限性使其在有限時間內(nèi)難以得出對象的精確解，所以實際應(yīng)用中必須作些近似和簡化。目前計算電磁場的數(shù)值方法有變分法、時域有限差分法、矩量法、有限元法、邊界元法等，其中變分法是這些方法的基礎(chǔ)。電磁兼容數(shù)值仿真商用軟件較多，主要有ANSOFT、CST Microwave Studio、 ANSYS(FEKO)、FLO/EMC、EMC2000、IES等。

3 仿真工具選擇

EMC仿真軟件能夠為我們提供非常有效的高頻和高速電磁仿真設(shè)計工具，它集高速電路建模、仿真和優(yōu)化為一體，用仿真代替實驗，可以快速的幫助工程師完成高速電路EMC設(shè)計，實現(xiàn)信號完整性，減少研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期。目前，國際上商業(yè)的EMC仿真軟件有許多種，主要應(yīng)用于高速PCB電路設(shè)計、各種類型的高頻濾波器設(shè)計、高頻天線和波導(dǎo)設(shè)計、傳輸線設(shè)計（包括微帶、帶狀線和同軸電纜等）、信號完整性設(shè)計和電磁分析等。此外，不同仿真軟件對模型的要求也各不相同。根據(jù)智能電器控制板的特點(diǎn)，我們選用Ansoft SIwave作為仿真工具，該軟件是一個精確的整板級電磁場全波分析工具，它采用三維電磁場全波方法分析整板或整個封裝的全波效應(yīng)。板上放置去耦電容的作用，改變信號層或分開供電板引入的阻抗不連續(xù)性；信號線與供電板間的噪聲耦合、傳輸延遲、過沖和下沖、反射和振鈴等時域效應(yīng)；本振模和S、Z、Y參數(shù)等頻域現(xiàn)象。其結(jié)果可以先進(jìn)的二/三維方式圖形顯示，并可輸出Spice等效電路模型用于Spice仿真。 SIwave提供了無縫的集成設(shè)計流程，可以從標(biāo)準(zhǔn)布板工具如，Cadence Allegro、APD、Zuken CR-5000等所產(chǎn)生的版圖直接輸入到SIwave中進(jìn)行分析。

4 仿真結(jié)果及分析

為了減小電源/地彈噪聲和EMI輻射，該智能電器控制板采用了多層PCB板結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使得電源平面和地平面耦合更緊，同時可以嚴(yán)格控制阻抗以防止信號回路問題。但多層板結(jié)構(gòu)會引起較嚴(yán)重的電源完整性問題，地層和相鄰的電源層形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的諧振模式取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸以及疊層的介質(zhì)，由于諧振將導(dǎo)致嚴(yán)重的開關(guān)噪聲，因此，諧振模式的仿真必須在設(shè)計的前期進(jìn)行[4-5]。

用SIwave軟件對控制板的PCB進(jìn)行仿真分析。對于真實復(fù)雜的PCB板或IC封裝，包括多層、任意形狀的電源和信號線，SIwave可仿真整個電源和地結(jié)構(gòu)的諧振頻率。針對該控制板，在頻率120MHz～1.2GHz范圍內(nèi)，共計算10個諧振模式，如圖1所示。

圖1 諧振模式

在每一諧振模式下，整個板的電壓分布都能以三維圖形加以顯示，比較發(fā)現(xiàn)，在模式 2和模式8下，諧振最為嚴(yán)重，電壓分布如圖2和圖3所示。

圖2 模式2的電壓分布

圖3 模式8的電壓分布

圖4 放置去耦電容

控制板要盡可能避免工作在諧振頻率點(diǎn)，如果無法回避，則可以通過在PCB板上放置去耦電容改變諧振頻率[6]。阻抗與電容值滿足如下關(guān)系式：

其中，cZ是阻抗，C是電容值，ω是工作頻率。在諧振較嚴(yán)重的區(qū)域共放置 21只去耦電容，如圖 4所示，在相同的頻率范圍內(nèi)重新計算諧振模式，結(jié)果表明，在120MHz～1.2GHz內(nèi)只有一個諧振模式，如圖5所示，與之對應(yīng)的電壓分布如圖6所示。結(jié)果表明，去耦電容改變了諧振頻率，從而實現(xiàn)控制板的工作頻率遠(yuǎn)離諧振頻率，進(jìn)而改善EMC性能。

圖5 諧振模式

圖6 優(yōu)化后的電壓分布

5 結(jié)論

利用仿真的方法在電子設(shè)備設(shè)計之初解決EMC問題具有重要意義。本文介紹了EMC仿真的基本方法，并借助優(yōu)秀的電磁仿真軟件SIwave對智能電器控制板進(jìn)行了 EMC仿真分析。該控制板的特點(diǎn)是電源系統(tǒng)較復(fù)雜，由開關(guān)電源提供三種不同特性的電源，由于高速PCB的信號完整性、電源完整性與電磁兼容直接相關(guān)，因此，良好的電源完整性有利于信號完整性和電磁兼容，依據(jù)這一事實，對電源完整性的仿真作為該系統(tǒng) EMI/EMC分析的重點(diǎn)。仿真分為兩個階段：優(yōu)化前仿真與優(yōu)化后仿真。由于去耦電容可以改變諧振頻率，因此優(yōu)化的主要手段是在必要的區(qū)域合理地放置去耦電容。仿真結(jié)果表明，通過優(yōu)化設(shè)計，PCB表面電壓明顯減小，有效地抑制了輻射，從而改善EMC性能。

[1] T. Steinecke, M. Schmidt, H. K?hne, W.John. EMC Modeling and Simulation on Chiplevel[C]. IEEE Customer Service, IEEE International EMC Symposium, Montreal, 2001：1191-1196.

[2] J.-J. Laurin, S. G. Zaky, and K. G. Balmain. On the prediction of digital circuit susceptibility to radiated EMI[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1995, 37(4)：528-535.

[3] 王長清.現(xiàn)代計算電磁學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2005.

[4] Mohamed Ramdani, Etienne Sicard and Alexandre Boyer. The Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits—Past, Present, and Future[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2009, 51(1)：78-100.

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