电磁仿真在EMC设计中的应用案例
本文摘要（由AI生成）：本文介绍了电磁噪声（EMC）仿真的重要性及其在开关电源和电机驱动控制器中的应用。文章指出，通过仿真可以预测和减少电磁干扰，提高产品的可靠性和性能。文章还强调了仿真前的准备工作，包括了解系统架构和细节，以及高频参数和壳体缝隙等因素的影响。最后，文章提出了回到电磁学本质，即麦克斯韦方程组的观点，以实现更精确的仿真和更好的产品性能。文章还提供了相关参考资料。 “ 随着CEM（计算电磁学）的发展与计算机算力的提升，越来越多的研发型科技公司选择用仿真来指导产品的EMC设计。传统EMC行业在仿真技术的加持下，会开出怎样的新花？本文用几个CST仿真案例，聊一聊电磁仿真在EMC设计中的应用。” 关键词：EMC仿真，车载以太网，开关电源，电机驱动控制器 1 EMC仿真的意义 说说为什么要做EMC仿真？请看下面这张“X”曲线图：在产品的EMC开发周期中，越到产品研发的末期，工程师所能采取解决EMC问题的措施就越少，且相应所付出的代价也越高。EMC仿真的意义或者目的，简单总结就两个字——寻优，这个“优”包含：缩短开发周期、低成本方案替代、仿测趋势验证、为设计提供理论支撑、无硬件的方案对比迭代等。对于EMC仿真的实质性意义，也有相当一部分的从业者认为仿真效率太低，而且仿不准，不如直接上手测。“三板斧”——屏蔽、滤波、接地来一遍，问题可能就闭环了！而仿真，可能还处于模型处理阶段？的确，在早期计算机的算力相对有限，电磁仿真应用于指导系统级EMC设计是无法满足效率和精度的需求。一片简单的PCB配个结构件，单次建模计算耗时动辄十天半个月，仿真的结果也不一定正确。忙活半天，工程上却起不到任何指导意义。尝试仿真的人，也不敢拍板说方案这么做行不行，导致了前期“吃螃蟹的人”非常少。但如今，随着计算机硬件（CPU、GPU算力）的提升、HPC技术的应用以及各大商软巨头在计算电磁学领域的深耕，仿真的精度与效率与十多年前已不可同日而语。科技行业内的头部研发型企业，在产品研发中正在逐步形成仿真先行的意识，用确定的仿真计算来指导产品的设计（不仅仅是EMC领域），不断积累各类仿真数据库，并形成技术壁垒。通过前端Designing仿真，提前发现EMC设计中的缺陷并对问题先行优化或规避，甚至能达到一版成功的奇效。通过后端Troubleshooting仿真，帮助开发者理解电磁问题产生的基本原理与优化方向，从而大大地降低和缩短产品的研发成本与周期。所以，近几年大家发现EMC仿真这螃蟹是越吃越香了。不信打开你们手机上的招聘APP搜索EMC相关的工作岗位，很多公司在JD中都会加一条：掌握ANSYS/ CST/ FEKO等电磁仿真软件者优先。2 车载以太网仿真案例 汽车行业的电动化、智能化和网联化，带来车载电子部件数量和种类的与日俱增。各个车载电子部件之间需要数据连接通信，使汽车总线必须需要具备更高的数据传输能力。以太网于1980年投入商业使用，具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高等优点在各种工业场景中广泛应用。但在汽车领域，由于其体积和重量的原因而无法普及。传统以太网电缆通常由4对双绞线 (Twisted Pair，TP) 组成，根据有无屏蔽层，双绞线可分为屏蔽（STP）与非屏蔽（UTP）。为了开发车载以太网，物理接口被简化为一个UTP，并保持总线的其他组件不变，这样能够兼顾重量轻与成本效益的优点。BroadR-Reach是汽车应用的点对点以太网物理层标准，允许两个设备通过UTP以100Mb/s的速度进行全双工通信，并进一步提高到1000Mb/s，高速率的要求使符合BroadR-Reach以太网和汽车EMC标准成为一个高挑战性的工作。下面我们以车载以太网作为研究对象，说说如何进行车载以太网的EMC仿真。▲车载以太网应用场景2.1 车载以太网的EMC理论基础 做EMC仿真时，一定不要急于闷头建模。模型简化、网格剖分固然重要，但第一步更重要的是要了解研究对象的系统架构与产生EMC问题的背景，所以要先充分查阅资料。车载以太采用差分传输信号，使线缆具有较低的干扰和较高的抗扰能力：（1）由于信号线对彼此相邻，单位长度上双绞的信号电流产生的磁场都相互抵消了，因此噪声很难向外发射；（2）对于外部干扰，噪声通常以相同的方式进入两条差分传输信号线，因此也不影响最终有用信号的波形。▲采用双绞线架构的差分传输线，可使线缆单位长度内电流产生的磁场相互抵消，有效抑制辐射发射等EMI问题▲空间中的杂波信号，一般以同样的方式进入差分传输线对，而实际的有效接收信号为二者互补后信号的求差，因此能够提高其EMS电磁抗干扰能力2.2 车载以太网共模噪声的产生因素 前面说到，采用双绞差分线传输的以太网具有EMI干扰低、EMS抗扰强的优点，那为什么在应用中还会有EMC问题？因为前面的分析是在理想情况下，差分双绞线确实能够有效解决EMC问题。但如果差分线之间的信号发生偏移（时间差）或存在幅度差异，则两条线之间的信号平衡将被破坏，由此产生共模噪声。▲差分线产生共模噪声的原理在实际应用过程中，有以下几个主要因素会产生车载以太网的EMC问题：（1）芯片内部影响：SiP基板的布局走线、PINMAP设计、功率Ball与信号Ball的隔离度问题等等诸多因素（一般企业买的都是成品芯片，这部分内容不涉及，因此设计的重点在后面两种情况）；（2）信号链路周边板载器件（如开关电源电路）的近场感性或容性耦合；（3）差分传输链路不平衡（如布线长度不匹配、端口连接器阻抗差异等），越是高速的场景，任何微小差异都会被放大。▲产生以太EMC问题的三个主要因素由Maxwell方程及电偶极子辐射理论，可以推算出共模辐射（即电偶极子辐射）在远场处的最大场强。其中，f为信号频率，L为辐射线缆长度，ICM为共模电流，r为测试距离。▲电偶极子辐射模型从理论公式来看，要降低Cable的共模辐射可以从降低信号频率f、缩短线缆长度L、降低共模电流ICM、增大测试距离r入手。但实际上真正能处理的只有共模电流大小和线缆长度，因为信号频率决定传输能力，测试距离则是EMC法规标准要求，这些都是很难推动改变的。2.3 车载以太网EMC建模方法 场路协同仿真是EMC仿真中最常见的仿真方法，本例3D场仿真选择的是有限元法（FEM）的频域求解器，在200MHz的频率范围内对PCB和线缆模型进行AC频域仿真。使用恩智浦的车载以太驱动 IC（TJA1100），下图为该IC的应用电路与PCB，包含了芯片、无源器件、走线和连接器等部件的离散端口与集总元件。▲车载以太TJA1100应用_PCB 3D场仿真模型▲车载以太TJA1100应用_场路联合仿真模型2.4 车载以太网CE的解决方案 模型建好后，我们能从仿真中得到什么？假设车载以太EMC的VCE测试项超标了，共模噪声问题的solution是什么？▲原始VCE仿真结果2.4.1 VCE测试布置对结果的影响有些老司机在做EMC测试整改时，能做到不加一颗电容就实现妙手回春，靠的就是“专业”的摆法。那么在这个案例中，摆线布置会有怎样的改善？▲Cable不同间距下的VCE仿真结果▲极限情况下，Cable垂直拉远的VCE仿真结果综上，除了最后一种垂直拉远的摆法改善了几dB，其他情况则无改善。虽说EMC法规标准里，对VCE测试的线束布置没有明确要求，但是测试时把电源线拉那么长一圈，也属于奇葩做法。解决问题还是要从本质出发，歪门邪道不是根本解决途径。2.4.2 以太网双绞长度对结果的影响 ▲不同双绞长度下的VCE仿真结果三个频谱对比结果：双绞至连接器的噪声更低一些，这也符合实际情况。很多人在做整改时，一般也会将电源线或信号线进行双绞处理，且会特别要求Connector to Connector两端的双绞质量。2.4.3 Worst Case Design ▲通过将电源线分离（增大环路面积），可让信号线与电源线充分耦合▲Worst Case Design（PCB+Connector+Power Cable）在众多结果中，Worst-Case跟初始设计差了40dB有余。所以，掌握底层逻辑进行顶层设计很重要。与其在后端修修补补，不如在开始就选对大方向，顺势而为。2.4.4 电源线上套磁环 加磁环也是众多老司机的最爱，尤其在电源线上，测试时各种负载先都套上了再说。▲磁环位于线缆的头部与尾部对比在线缆头部与尾部加磁环的两种情况发现：二者的结果非常相近，尖峰Peak值不变，但谐振频率比原始情况提前很多。根据1/2πsqrt(LC)，磁环增大电源线上的电感L，则f减小，使得包络尖峰提前（此处根据仿真结果强行分析，未必正确）。如此看来，本例中电源线套磁环是有好处的，因为VCE的标准里，低频段的限值线一般比高频宽松些。有时候就是差那么几个dB，包络尖峰往边前移那么一点，测试就过了。2.4.5 线缆屏蔽 ▲Cable完全屏蔽与不完全屏蔽对比线缆的屏蔽层用PEC代替，通过仿真可以看到，对线缆进行屏蔽非常有效，并且靠近连接器位置的屏蔽层非常重要。这也是为什么，不管何种线缆只要是带了屏蔽层的，大家都会十分强调Cable端接位置的屏蔽层接地。▲某系统的EMC安装要求（电缆屏蔽层夹子的360°接地 ）关于屏蔽与非屏蔽线的共模电流路径对比：▲屏蔽线的共模电流路径▲非屏蔽线的共模电流路径2.4.6 共模电感 前面是在线缆方面做优化，再说说单板上能不能做点事情。根据前文的电偶极子辐射理论公式，在共模激励电压不变的情况下，降低共模噪声可以通过增大链路的共模阻抗来实现，即增加CMC（共模电感，也叫共模扼流圈）。CMC是两条相反方向的线绕在同一磁芯上而制成的，两线产生的差模电流磁通量相互抵消，因此对差模电流没有影响。两线为共模电流产生的磁通量则相互增强，因此起到增大共模感抗的作用，衰减共模噪声而不影响差分信号。▲共模电感的滤波原理共模电感包含了四种S参数，其中Sdd是差模，Scc是共模，Scd或Sdc表示模式转换特性。端口的具体表达如下：▲共模电感端口示意及其计算公式▲共模电感的频率特性关于共模电感的选型需要考虑其频率特性，要求Sdd21最好为低损，Scc21、Scd21则最好为宽频带、高衰减。实际应用时，可根据共模噪声的频谱来定。比如，100Base-T1与1000Base-T1的差模信号所含频率成分不同，则适合的CMC模式转换特性也不同。▲100Base-T1与1000Base-T1差模信号频谱根据Murata提供的部分CMC器件的实测数据，Scc21在低频段抑制共模噪声的程度与Scd12在高频段抑制共模转换量的程度，会影响最终传导发射整体的测量结果。▲不同CMC对共模噪声的抑制效果对比再说说怎么在CST中进行共模电感的仿真。软件中没有共模电感模型，因此只能通过导入它的TouchStone或Spice模型。如果供应商没有提供，也可以用网分测得CMC的S4P文件。导入的方法之前的文章已有发布，可参考《元器件模型导入及其预仿真》。为了方便仿真模型的后期维护（例如要对比不同CMC对仿真结果的影响），建议先在3D里加离散端口，然后在Schematic中导入CMC模型并连接。▲仿真中给两个Port的信号设置时延▲对比有无CMC、有无时延的情况可以看到，CMC对时延导致的共模噪声抑制效果非常明显，峰值部分抑制超过20dB。这里，你还可以通过导入不同型号的共模电感模型来对比结果，验证前文所说的Scd21对共模噪声的抑制效果。如果进一步研究，还可对共模电感的绕组结构进行设计与优化。以下这篇TDK公司的专利中提到，对于CMC中模式转换特性Scd的降低，很大程度与这两组绕线互相不同的匝间绕组的分布电容有关。这可以通过CST EM Studio工作室的（准）静电场仿真得到的，所以只要你想做细，任何一个因素都可以成为变量用于最终的噪声结果的对比。▲US Patent：US9659701B2，TDK2.5 车载以太网RE仿真方法 进行RE仿真需在3D场中添加Field Probe，以获取该位置上的场强大小，并通过CST自带的宏指令，自动绘制出所有Probe最高噪声的包络。▲RE仿真设置与后处理方法▲添加场探针▲车载以太网1m场仿真结果同样地，可以进行上述CE仿真项的对比，不再赘述。2.6 车载以太网BCI/CCE仿真方法 进行BCI仿真，需要用到电流钳模型。将你测试所用的电流钳进行3D建模，然后在馈点端口进行injection（mA），便可仿真得到芯片PIN脚上的电压电流波形。▲BCI建模过程▲BCI注入，IC上得到时域波形相反地，若要进行CCE仿真，则在芯片PIN脚处加激励源，在电流钳处获取感应电流噪声（dBuA）。3 开关电源仿真案例 开关电源是各类大小系统中电磁干扰的重灾区。关于电源EMC仿真的研究，相关的学术论文非常多，在工程上的应用也较为成熟。小型化、高功率密度是电源技术追求的核心目标之一，其中减小功率电源体积最有效方法就是提高开关频率，因为提高dt能够极大地减小变压器与电感的体积。在第三代宽禁带半导体器件（GaN、SiC）得到广泛应用后，更高的dV/dt也带来更多的EMC问题。以下，简单介绍一个BUCK电源的EMC仿真案例。3.1 电源EMC建模方法 开关电源EMC建模的核心是建立准确的功率器件与磁性器件模型。本文受篇幅影响，暂只介绍用理想开关来进行建模的情况，欢迎持续关注本号的后续推文。▲BUCK电源_PCB 3D场仿真模型▲BUCK电源_场路联合仿真模型3.2 电源EMC仿真结果 这里对比电源在有无滤波模组的情况下的CE噪声以及电场分布，CE噪声尖峰呈开关频率的倍频分布，有滤波相比无滤波降噪约30dB。从电场分布来看，有滤波的情况，PCB表面场强整体要弱许多。▲有无滤波器的仿真对比结果4 电机驱动控制器仿真案例 电机驱动控制器的EMC仿真，其本质与开关电源属于同一类型仿真，毕竟开关电源、电机本体、电机控制都同属于电力电子学科的不同研究方向。2015年左右开始，电驱动EMC相关的课题研究论文非常多。这可能主要归功于新能源车的崛起，因为电车的核心就是三电系统：电池、电机、电控。本章节原计划是介绍下电驱系统EMC的仿真，但三言两语可能介绍不清楚。这里就当埋下伏笔，为后续文章做个预告。包括前面第3节的开关电源部分的EMC仿真，也可用ANSYS软件进行仿真，可以做到非常之细，后续有机会细写。这里多嘴一句：我们在研究电驱EMC仿真时，更多时候是聚焦于控制器部分，而实际上电机本体的设计同样重要。比如，对电机绕组、齿槽结构等的优化设计，可以减小绕组的漏感等分布参数，直接为电机及其驱动控制系统的EMC/EMI奠定良好的基础。此外，在控制算法部分，由于电车处于不同状态下的控制策略也不同，因此算法部分对EMC同样存在影响，亦可结合Matlab/Simulink展开研究。5 结语 文章的最后，还想再说一说关于仿不准的问题。EMC电磁仿真属于对无意发射、弱信号的仿真。相比SI/PI，EMC/EMI仿真更是个庖丁解牛的过程。仿真前要充分了解研究对象的系统架构和细节，单板上每一个器件的高频参数、壳体上每一处缝隙与搭接处的螺钉都很重要。仿真出来的包络与实测结果连趋势都对不上，一定是做的还不够细。像硬件开发追求一版成功，仿真也可以追求一版准确。本文前述案例的仿真结果均不是绝对值仿真。意味着，这些仿真结果与实测结果仍存在较大的GAP。要实现完全的绝对值仿真，还需要进行一系列的数据处理和参数校正等操作，做绝对值仿真前最重要的是要评估有没有必要。另一方面，复杂系统中不止存在一个噪声源，绝对值仿真意味着你需要进行全模型仿真，要考虑噪声的矢量叠加等问题。这个不仅听起来复杂，做起来也困难，可以写篇高水平的硕博论文。这两年火星人马斯克带火了一个既哲学又科学的名词，叫第一性原理。源于亚里士多德提出的一个观点，大致讲的是事物要回归本质，将其拆分成各个要素进行解构分析，从而找到实现目标最优路径的方法。回顾前面讲的案例，第一性原理尤其适用于EMC仿真。对于EMC行业的从业者而言，打补丁式的赤脚医生式的看病方法或许有一天会被电磁仿真所取代，回归到经典物理学最伟大的公式之一——麦克斯韦方程组。6 参考资料 [1] Ethernet, Wikipedia. [2] BroadR-Reach® Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications, Broadcom Corporation.[3] TJA1100 datasheet, NXP Semiconductors.[4] EMC Simulation for Automotive Ethernet, Tamara Monti.[5] Bulk Current Injection Application Note, CST Studio Suite.[6] 共模滤波器基础，Panasonic.[7] Common Mode Filter, US9659701B2, TDK Crop.[8] An Introduction to Noise Suppression in Onboard Ethernet 100Base-T1, Murata.[9] Automotive Ethernet for ADAS Noise suppression measures for 1000Base-T1, Murata.[10] Emissions Simulation for Power Electronics Printed Circuit Boards，Patrick DeRoy.[11] 电路辐射干扰机理诊断与特性估计, 赵洋，电工技术学报.来源：电磁学社
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