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控制板设计中的EMC

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文章附图

        在产品设计阶段,为了尽快解决 EMC问题,需要进行基于理论分析和协同设计的 EMC仿真。使用 AnsoftSIwave软件,仿真分析了控制板开发中中高频谐波干扰对智能电器控制板电磁兼容的影响。根据仿真结果,对 控制板的设计进行了优化。通过试验验证,有效地解决了控制板 EMC问题。

          EMC反映一种电子或电气设备/系统在其电磁环境中按要求运作,并且对环境中的任何其他设备不产生不可容忍的电磁干扰的能力。智能型电器是传统电器与电子技术相结合的产物,目前以智能电器为基础的大型电力设备的在线监测对电力系统的安全运行起着举足轻重的作用。因为智能电器经常在高电压、大电流的环境下工作,所以智能电器的电磁兼容性问题是与被保护监测设备、系统处于同一电磁空间内,以微机为核心的监控单元必然受到来自电力系统的不同能量、不同频率的电磁干扰,因此智能电器的电磁兼容问题集中在其控制单元上。

         智能型电器的电磁兼容性能直接关系到智能电器的可靠工作,进而影响到电力系统的安全运行。相对于智能电器的功能和原理的研究, EMC问题的研究显得十分不足:在产品设计过程中,不能针对 EMC问题系统地考虑元件性能的选择和系统结构的整合;一个 EMC问题的解决常常需要反复试验和修改,而且常常无法精确定位 EMC问题出现的范围,无法对 EMC问题作出科学的预测。由于设计时存在着一定的盲目性,设计过多、设计不充分等问题,从而增加了成本,延长了开发周期。

       在 EMC设计的初期,对 EMC的技术要求进行了最经济、有效的设计,从世界范围来看, EMC仿真已成为电子设备设计中不可缺少的一步,通过仿真可以在设备投入生产前发现问题、解决电磁兼容问题,从而节省因电磁兼容不达标而反复修改设计的成本。利用 SIwave仿真软件,在智能电器控制板设计阶段,通过设计-模拟-优化-模拟的方法,较好地解决了产品成型前的 EMC问题。

电磁兼容仿真的基本方法

          电磁问题的计算方法大致可以分为三种:理论分析法、专家系统法和数值分析法。该方法通过对几何模型进行简化和假设,以获得近似解。该专家系统不能准确地分析场,它根据自己的数据库,估计相应的参数。用数值方法求解具有相应边界约束条件的场方程(Maxwell方程组),可以精确地分析场。该方法因其计算精度高而被广泛应用于工程领域。

         EMC数值模拟过程也就是电磁场问题的数值计算过程。解决电磁场边值问题时,若数学模型为齐次或非齐次偏微分方程,则只有少量简单媒质和边界条件可用解析法求得精确解。由于电磁散射和绕射问题的数学模型是积分方程,求解过程的计算量很大,因此,在以往有限的计算机存储器容量和运算速度的条件下,求得解析解是相当困难的。由于高速、大容量电子计算机的快速发展,利用计算机进行多维数值积分、高阶矩阵求逆等操作已成为可能。从二十世纪六十年代中期首先,计算机技术被广泛用于解决导行波、天线和散射等实际电磁问题的数值计算。迄今为止,电磁场的数值分析方法在解决有关电磁兼容性问题上发挥了很大的作用,80%的电磁兼容问题可以在设计阶段通过仿真加以解决。数字分析法是将连续变量函数离散化,将微分方程化为差分方程,将积分方程化为有限元和形式,从而建立收敛的代数方程组,再用计算机逐步求解。要准确地分析某一空间范围内随时间变化的电磁场,可能需要无限的数据。

然而,一方面,由于数字计算机可处理数据的字长和存储容量限制,使得它不能储存太多的数据;另一方面,运算速度的限制,使之在有限的时间内求出对象的精确解很难,因此在实际应用中必须进行一些近似和简化。

      当前计算电磁场的数值方法有变分法、时域有限差分法、矩量法、有限元法、边界元法等,其中变分法是其基础。目前商业软件主要有   CST MicrowaveStudio、 ANSYS (FEKO)、 FLO/EMC、EMC2000、 IE、SANSOFT等。

仿真工具的选择

      EMC仿真软件能为我们提供非常高效的高频、高速电磁仿真工具,集高速电路建模、仿真、优化为一体,以模拟实验代替实验,可快速帮助工程师完成高速电路 EMC设计,实现信号完整性,减少研发费用,缩短研发周期。

        当前,国际上商用的 EMC仿真软件有很多种,主要用于高速控制板电路设计、各类高频滤波器设计、高频天线及波导设计、传输线设计(包括微带、带状、同轴电缆等)、信号完整性设计和电磁分析等。另外,不同的仿真软件对模型的要求也有所不同。

本文针对智能电气控制板的特点,选取了电场法全波分析工具 AnsoftSIwave为仿真工具,是一种精确的整板级电磁场全波分析工具。在电路板上放置去耦电容,改变信号层或隔离电源板引入的阻抗不连续;信号线与供电板之间存在噪声耦合、传输延迟、过冲和下冲、反射和振铃等时域效应;本振模以及 S、 Z、 Y参数等频率现象。该方法能实现高级的二/三维图形显示,输出 Spice等效电路模型进行 Spice模拟。

         SIwave提供一个无缝集成的设计流程,可以直接输入 SIwave中进行分析,例如 CadenAllegro、 APD、ZukenCR-5000等标准布板工具。

仿真结果及分析

          为减少电源/地面弹噪声和 EMI辐射,智能电器控制板采用了多层 PCB板结构,这样能使电源平面与地平面耦合得更紧密,并能严格控制阻抗,防止信号回路问题。然而,多层板结构会引起严重的电源完整性问题,地层与邻近电源层形成波导结构,其谐振模式依赖于结构的几何形状、尺寸以及层状介质等,而谐振模式的模拟将会导致严重的开关噪声,因此,谐振模式的模拟必须提前进行。

        利用 SIwave软件对控制板 PCB进行了仿真分析。SIwave能模拟整个电源频率和地结构的谐振频率,用于真实、复杂的 PCB板或 IC封装。在120 MHz~1.2 GHz的频率范围内,控制板上共有10种谐振模式,如图1所示。

                                    图1 谐振模式

每种谐振方式下,整个板的电压分布可以用三维图形来表示,对比发现2、8时谐振最为严重,电压分布如图2和图3所示。

图2 模式2的电压分布

图3 模式8的电压分布

图4 放置去耦电容

控制器应尽量避免工作在谐振频率点,如不能避开,可通过在 PCB板上放置去耦电容来改变谐振频率。

结果表明,在谐振较严重的区域中,将21个去耦电容放在同一频率范围内,如图4所示,重新计算结果表明,在120 MHz~1.2 GHz之间仅存在一次谐振,如图5所示,其电压分布如图6所示。研究发现,去耦电容可以改变共振频率,从而使控制板的工作频率远离谐振频率,从而提高 EMC的性能。

图5 谐振模式

图6 优化后的电压分布

结论

        利用仿真的方法在电子设备设计之初解决EMC问题具有重要意义。本文介绍了EMC仿真的基本方法,并借助优秀的电磁仿真软件SIwave对智能电器控制板进行了EMC仿真分析。

        本实用新型的特点是电源系统较为复杂,开关电源可提供三种不同特性的电源,高速 控制板的信号完整性、电源完整性与 EMC有直接关系,因此,良好的电源完整性有利于信号完整性和电磁兼容性,在此基础上,电源完整性的仿真是该系统 EMI/EMC分析的重点。

模拟分为两个阶段:优化前模拟和优化后模拟。因为去耦电容能够改变共振频率,所以优化的主要方法是在所需的区域内合理放置去耦电容。模拟结果表明,通过优化设计,可以显著降低 控制板表面电压,抑制辐射,从而提高 EMC性能。