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电磁仿真在EMC设计中的应用案例

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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,TDK

2.5  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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首次发布时间:2022-11-28
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