从入门到放弃--5G时代的EMC模拟挑战实作篇

如前文所述，EMC模拟与一般的重复性仿真不同，因此相对而言，EMC模拟涉及面更广，挑战也更大。好在现代模拟技术经过几十年突飞猛进的发展，已经到了比较成熟的阶段，可以解决大部分问题。

以Ansys基本的「场路协同」模拟配置，各个模块各司其职，相互配合，以场路协同为核心来思考建立各种部件及系统模型，包括电路、电磁场，进而获得相应的传导/辐射模拟结果。配合选项模块，如参数扫描、自动优化，高效能运算等功能，可以大幅提升EMC仿真运算效率，进而提高工作效率、缩短研发周期。

Ansys模拟体系架构提供从芯片、封装、磁性组件、机电系统、PCB系统、整机/整车系统到环境级系统的建模能力，不同客户关注的不同EMC问题都能在这里找到对应的解决方案，同时具备电磁、流体、结构多物理场耦合模拟能力，是全面而强大的体系架构。

常见EMC问题案例分析

EMC模拟的案例不胜枚举，以下是几个比较常见的EMC模拟应用范例：

1.电路板的电磁辐射

电路板是电子系统的中枢神经，在产品EMC效能中有着举足轻重的地位，而且也是主要的噪声源之一，当电路板开关组件工作，高速讯号传输，电源波动时就可能造成电路板的对外电磁辐射，这些辐射能量耦合到机壳缝隙、通风口、线缆线束上时就很可能造成整机辐射发射指标超标问题，首先想到的最佳化方式就是对PCB这个噪声源进行噪声抑制。影响PCB电路系统EMI效能的因素很多，所以不同工程师设计的电路板的EMC效能也表现不同，这里面包括：关键芯片/组件的布局、叠层设计、电容摆放策略/容值选择、高速讯号布线、电源/地的布线、电源过孔设计、材料及制程选择等等。

完成一个良好的PCB必须要考虑到信号完整性、电源完整性以及电磁兼容性问题，通过SIwave可以快速建立整板PCB模型，进行各项有关于SI/PI/EMC效能的功能模拟分析，以及自动优化分析工具，可以方便定位PCB的噪声，抑制噪声强度、提升产品EMC效能。

PCB辐射优化前后对比-近场远场

2. 电路板的EMC规则检查

在进行PCB的EMC设计时，通常主要依靠工程师的工作经验，不同设计环节的工程师使用着不同的验证方法，或者根本无验证手段。一些不适当的布线方式很难发现，也不可能特意去花精力进行模拟。例如线宽间距，退耦过孔与焊盘的距离，IO电路与高速组件间距等，这些细微的设计因素在整个电路板EMC当中也不可以忽视。

EMI scanner规则检查

3. 开关电源传导干扰

开关电源式适配器以强劲的发展趋势超越了工频变压器式适配器，但开关电源的电磁兼容性较差，随着开关电源工作频率不断提高，电磁干扰问题也变得日益严重，模拟势在必行。

在进行开关电源模拟时，主要是用Q3D抽取传播路径的参数模型，如PCB、线缆的RLC寄生参数，分析零部件的高频特性，如电阻、电容、电感、变压器等的高频特性，可以利用Maxwell/PExprt对电力电子部件进行建模模拟，然后在机电系统平台Simplorer当中，将这些电阻、电容、电感、变压器、MOSFET、 二极管等部件的高频模型连接成完整的开关电源模拟电路，即可获得其对外传导干扰的差模与共模噪声频谱分布。对比相应CE标准可知其EMC效能状态，然后进行电路的优化改善分析。

4.接地系统的设计最佳化

接地设计是电力电子设备的主要难点之一，劣质的接地设计将使得设备噪声强度增大，进而影响芯片电路元件的正常工作，甚至会烧毁关键组件，同时也会造成更大的辐射与干扰问题。理论上，低频电路单点接地，高频电路多点接地，复杂电路系统采取混合接地，但具体接地方式带来的接地阻抗，共地阻抗的影响，理论分析很难获得量化的结果。

运用软件Q3D能够对系统接地通路设计进行虚拟建模，抽取接地阻抗，结合电路系统simpolrer/Circuit软件搭建电路系统分析，就能获得接地设计的缺陷，进而指导接地设计的最佳化，找到最佳接地方式。

5. 线缆的辐射发射分析

线缆的布局与接地可以直接影响电子设备的EMC特性，在高频段，线缆类似于单极子天线，会将线缆当中的噪声通过空间辐射出去，形成对外干扰，同时也会耦合到来自其他高频噪声源的能量，如点火系统，天线、开关组件、高速电路板等，然后线缆将能量传导到电路内部，进而造成对敏感电路受干扰，也就会影响设备的整机EMC测试表现结果。

通常线缆的选型与布局必须进行仔细的虚拟分析，否则可能造成整机产品的EMC效能不满足指标要求。通过Q2D建立线缆截面模型，通过circuit指定各个线缆端子的噪声频谱和负载电路，然后在HFSS里面建模外壳模型以及其他结构件，指点线缆布线路径，即可与Q2D联合，实现3d cable modeling技术，快速完成线缆辐射模拟。

汽车线缆的辐射-空间辐射场分布

6. 电磁敏感度分析-ESD抗扰

电磁敏感度分析，即EMS效能要求，表明在受到电磁噪声“攻击”的情况下的EMC兼容能力，通常测试内容包括ESD\EFT\Surge\RS\CS\PMS等，而在运用模拟技术进行建模分析优化时，同样可以从电路、空间电磁场两个角度来进行建模分析，观测电路上的电压电流噪声以及空间上的电磁场干扰。

根据不同的分析目标，采用适合的软件进行建模模拟，例如电路板的ESD抗扰模拟，基本构想是通过Q3D建立测试环境的3D模型，抽取测试桌面与地面的关键寄生参数，SIwave建立电路板模型，在观测点与ESD噪声注入点添加端口提取宽带S参数，然后在电路系统Circuit中集合ESD激励模型、元件模型（TVS\Common choke等）、 提取的PCB参数模型建立完整的ESD分析电路，即可获得观测点的电压电流时域、频域结果，进而可以分析产品ESD抗扰能力，指导产品的抗扰设计优化。

R19版Circuit整合常用EMC工具

7. PCB的辐射敏感度优化

待测设备暴露在外界电磁噪声辐射情况下，电路系统是否会出现异常。一般在EMC暗室/GTEM小室测试该项效能，很多弱电控制系统处在恶劣的电磁环境当中，容易受到来自外界的高频，高压电磁场的辐射影响，例如高频天线，大功率开关，汽车点火系统等，PCB上的关键敏感电路耦合到外界的电磁能量，转换成干扰讯号，进而影响芯片正常工作，出现控制系统异常或失效的现象，可能会造成非常严重的后果。

在这方面，Ansys的SIwave工具能够定义电磁辐射源的强度和方向，用于PCB的抗辐射特性模拟，获取各个敏感电路节点上的感应电压强度，进而指导电路板设计的抗辐射优化设计。

8. 机壳屏蔽效能分析

当机壳有各种通风口、接口、缝隙时，内部噪声源通过空间辐射的路径，在这些结构特征上会形成电磁能量的辐射与泄露。对于整机EMI效能，从阻止传播路径的角度，可以单独对机壳进行建模，在HFSS软件当中可以支持各类电磁噪声的直接定义，例如电偶极子，磁偶极子，平面波，高斯波，柱行波等，无需创造实体噪声组件模型即可对机壳进行电磁屏蔽效能分析。

当然，亦可引入其他模拟结果来源资料，如SIwave模拟的电路板辐射。模拟完成后可查看空间电磁场强度分布，可以发现不同频点的电磁泄露情况、主要泄露的位置、以及屏蔽效能值。进而可以发现机壳的设计缺陷，找到修改措施。

机壳屏蔽效能-电磁泄露

9. 整机系统电磁辐射发射分析

整机系统通常包含外壳，各类电路板，线缆，开关组件等，通常这类模拟建模涉及的电子部件会较多，所以相对来说，模拟也就越趋复杂。

Ansys在这方面采用不同软件模型数据相互传递的构想实现整机系统的建模与模拟，所以建模难度不算复杂。主要是基于HFSS全波电磁场模拟软体，HFSS建立整机外壳结构件的模型及材料，将SIwave模拟获得的PCB辐射数据导入进来，然后Q2D建立的各类线缆的截面场和杂讯端子频谱定义，在HFSS指定线缆路径即可引入3D空间线缆的辐射数据。另外，也可引入用Maxwell建立的低频组件电磁场数据，如火星塞、电感线圈等，将各个部件场数据映射在整机外壳内部空间的相应位置，即可完成宽带带的整机辐射发射分析。

以上是EMC仿真部分案例，类似案例还有很多，譬如机箱谐振分布，数字模型混合干扰，马达驱动系统传导干扰，线缆捆扎干扰，PCB关键芯片布局，EFT，BCI大电流注入，设备辐射受扰分析等，在这里就不一一列举。

平台级一站式EMC解决方案

综合以上所述，EMC模拟已是电子及电力电子产业高速发展趋势的必要分析手段，是门科技艺术，同时也是门科技工程。在5G的背景下，频段高、速率高、密度高，带来的EMC问题必然庞大，在万物互连的复杂电磁环境中，企业需要的是平台级的一站式EMC解决方案，需要提供小到芯片、封装、PCB，大到平台、机房、数据中心、城市环境等在内的全覆盖电磁兼容仿真和优化设计。

这就要求模拟软件体系架构需要满足以下几个方面的要求：

• 不同尺度，不同背景产品的仿真技术，包括芯片，PCB，天线，马达，电缆等各种电子零部件的建模和参数提取能力;

• 将上述各个零组件模型，通过电路与系统的方式，无缝连接成一个整体，实现从上到下的系统级模拟模型和模拟体系，底层数据互连互通，共享且同步更新;

• 跨学科的综合设计能力，能考虑高功率，震动，风力，气候等条件下的产品综合效能，各个方面的分析可以是相互依赖，相互影响的，进而保证产品模拟的真实性;

• 跨学科的优化能力，软件体系需要具备强大的底层优化，能够驱动不同学科，不同领域的软件，共同完成复杂多参数空间的快速分析和优化设计，快速找到最佳方案。

Ansys所提供的EMC模拟解决方案就是一个可实现从组件到系统之详细建模分析的工具，方便定位EMC根源问题，可以量化分析设计状态、空间电磁场可视化，同时可以读取测试数据进行测试虚拟联合分析的理想选择。