基于控制器主板設(shè)計的電磁兼容仿真計算

李 睿，官小莎

應(yīng)用研究

基于控制器主板設(shè)計的電磁兼容仿真計算

李 睿1，官小莎2

(1. 武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064；2. 中國人民解放軍91458部隊，三亞 572021)

本文介紹了一種利用商用電磁兼容仿真軟件SIwave對Cadence所繪制的PCB板進行電磁兼容仿真的方法。

電磁兼容 PCB設(shè)計 Matlab仿真

0 引言

電磁兼容問題是硬件工作者在設(shè)計中需要優(yōu)先考慮的問題。借由仿真軟件可以提前發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計中可能存在的電磁兼容問題。目前的電磁兼容仿真軟件主要有ANSYS，借由該仿真軟件對已有的PCB設(shè)計進行電磁兼容仿真，可以判斷出設(shè)計中的問題并加以修改。本文基于一種控制器PCB板的布板過程，經(jīng)過ANSYS仿真逐步修改設(shè)計，以通過樣機電磁兼容測試。

1 控制板電磁兼容仿真

電磁兼容仿真主要包含5個模塊，分別是PCB輸出、仿真模型導(dǎo)入模塊、諧振仿真模塊、電源/地阻抗模塊、近遠場輻射分析模塊。這5個模塊層層遞進，相輔相承，關(guān)系圖如下圖1所示。

1.1 PCB輸出

本模塊為PCB繪制軟件輸出層文件和元件布局文件供SIwave處理，是后續(xù)電磁兼容仿真的基礎(chǔ)。

圖1 仿真結(jié)構(gòu)圖

此模塊為軟件提供PCB板的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，軟件運行時所需要的數(shù)據(jù)來自此向?qū)У妮敵?。同時，另外進行電磁兼容仿真時也必須對新的PCB繪制完成后，進行相應(yīng)操作，以輸出*.anf與*.cmp文件。

本PCB模型輸出模塊的輸出是數(shù)據(jù)輸出的基本操作程序，包括新建項目的菜單欄（包括橫向和縱向兩個部分）、工具欄、操作欄、顯示窗口、控制窗口。不同的部分有不同的功能，涉及到本軟件需要調(diào)用的數(shù)據(jù)，具體的輸出項如表1所示。

表1 輸出項

1.2 仿真導(dǎo)入

該程序模塊的主要功能是建立計算模型。將PCB文件導(dǎo)入，進行Validation Check檢查，疊層結(jié)構(gòu)設(shè)置，無源RLC修正等配置。通過檢查和配置操作，實現(xiàn)對目標(biāo)仿真模型的初步建立。該程序是在Ansys SIwave平臺上搭建的。導(dǎo)入平臺后的計算模型如圖2所示

圖2 計算模型

1.3 諧振仿真

多層印制板設(shè)計中，電源層和接地層之間是傳輸介質(zhì)層。傳輸介質(zhì)層一般使用FR4，而電源平面和地平面通常用金屬導(dǎo)體鋪覆。如圖3所示。

圖3 PCB板電源/地平面結(jié)構(gòu)圖

圖4 PCB板諧振及邊緣效應(yīng)

電源平面可以拆分成若干電感和電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。這種特殊的結(jié)構(gòu)在一定的頻率下就會發(fā)生諧振現(xiàn)象，從而影響電源層的阻抗。同時存在邊緣效應(yīng)，即引起邊緣反射和邊緣輻射現(xiàn)象。

根據(jù)諧振原理分析，在PCB設(shè)計時，需要對PCB進行諧振仿真分析。本控制板的諧振仿真結(jié)果見圖5。

1.4 電源/地阻抗仿真

為了有效降低電源到板上的芯片及去耦電容路徑上的電感，PCB板常常采用電源和地平面整片進行鋪銅處理的方法：即在中間層將電源平面及對應(yīng)的地平面用銅鋪設(shè)到用電器件處，讓用電器件就近取電。一旦平面阻抗發(fā)生變化，會影響整體的供電系統(tǒng)穩(wěn)定。PCB 板上的電源和地層相當(dāng)于給整個電路板提供了一個電源分配系統(tǒng)（PDN），而這個供電系統(tǒng)可以用關(guān)系式表示為：

阻抗分析仿真結(jié)果主要以圖片展示仿真結(jié)果。見圖6

圖6 電源/地仿真結(jié)果

圖中，縱坐標(biāo)為電源/地平面的阻抗值，橫坐標(biāo)為頻率。由仿真結(jié)果可以看出，控制板的電源/地平面的阻抗基本在1 Ω附近振蕩，在幾個頻點處出現(xiàn)了峰值，當(dāng)峰值超過了電源分配系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗，就可能影響系統(tǒng)的電源完整性，導(dǎo)致電磁輻射問題。

因此，在進行PCB設(shè)計時，應(yīng)該對這些特定的頻點具備一定的敏感性，對于信號完整性要求較高的器件，在布線過程中應(yīng)盡量避免其工作頻率與易產(chǎn)生阻抗峰值的諧振頻率相同。在本控制板的設(shè)計中，參照電源/地阻抗仿真結(jié)果對走線進行修改，有效降低了電源系統(tǒng)等效阻抗的震蕩峰值。

圖7 修改電路后電源/地仿真結(jié)果

根據(jù)圖6和圖7可以看出，在某些頻點處出現(xiàn)峰值時，會導(dǎo)致電壓波動較大。

通過以上分析和仿真結(jié)果可知，針對特定的 PCB板，可以通過仿真計算的方法提前預(yù)測板上各個部位的電源/地平面阻抗，為合理布線以及器件布局提供了參考，同時也為減小諧振頻點的阻抗，合理地運用去耦電容去耦提供了對照。

經(jīng)過電路的修改，在電源/地之間增加去耦電容后，控制板在相應(yīng)頻點處，電源/地阻抗情況得到很好改善。因此，通過電源/地阻抗仿真分析可以有效改善PCB板的電磁兼容特性。

1.5 近場/遠場電磁輻射

PCB 板的電磁輻射可能會造成嚴重的EMI問題，使EMC檢測不能通過，因此針對PCB板的整板輻射仿真分析十分重要，通過提前預(yù)知板上的輻射位置及輻射量值信息，采取相應(yīng)的措施來抑制其輻射。

從信號特征的角度來看，周期信號的電路在PCB板上易產(chǎn)生較強的輻射，這是因為在信號的頻譜中，周期信號的頻譜是離散的，而隨機信號的頻譜是連續(xù)的，對于周期信號的頻譜而言，有大量的信號點集中在某幾個特定的頻點上，而隨機信號的頻譜則較為分散，頻帶較寬。因此，周期信號的能量主要集中在了個別頻點上，造成的輻射干擾也相對最強。

通過ANSYS軟件對控制板進行仿真，針對控制板電路的電磁輻射進行測量，可以觀察到產(chǎn)生大量輻射的點均為單一的頻點，這些頻點對應(yīng)了某個頻點的基波及其各次諧波成分。在仿真中對PCB整板進行通電正常工作測試，記錄下此時的輻射強度波形圖，與控制板僅對時鐘信號通電的工況下的輻射強度波形進行對比，可以看出，雖然整板通電時，PCB板的工作輻射強度頻譜分布更寬，但是輻射強度卻和進時鐘通電時沒有太大的區(qū)別，如圖8所示。

圖8 PCB板整板通電（上）與僅時鐘信號通電（下）輻射對比

由仿真結(jié)果可知：PCB板上最容易產(chǎn)生EMI輻射的電路應(yīng)該是周期信號電路，其中時鐘信號對于EMI輻射的影響最為明顯，在布線時應(yīng)該重點關(guān)注時鐘信號的布線及周邊器件，采取一定的布線措施可以明顯降低整板EMI輻射。

根據(jù)遠場近場仿真分析的結(jié)果，對控制板的布局進行修改后，仿真的結(jié)果見圖9

圖9 近場仿真結(jié)果

2 結(jié)論

在控制板的PCB設(shè)計過程中，使用ANSYS軟件對控制板進行仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中電磁兼容無法通過的問題。通過仿真結(jié)果對PCB的布局進行修改，使其滿足電磁兼容試驗的要求，相對于EMC試驗現(xiàn)場對硬件進行修改，具有節(jié)省時間、問題點清晰，修改方便等優(yōu)點。對控制板進行修改后，已經(jīng)成功通過樣機的電磁兼容試驗。

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Electromagnetic compatibility simulation based on the controller board design

Li Rui1, Guan Xiaosha2

(1. Wuhan Chang Hai Electric Technology Development Co. Ltd, Wuhan 430064, China; 2. PLA-91458, Sanya 572021, China)

TN03

A

1003-4862(2022)04-0007-03

2022-02-15

李睿(1994-)，男，助理工程師。研究方向：開關(guān)電器。E-mail：1irui@whchdq.com.cn