通联虚实，探索世界｜建模与仿真+高速连接器=？
连接器是数据通道中最关键的零部件之一，其连接质量将对数据传输性能和信号完整性产生重大影响。通过将仿真完美整合到连接器设计流程中，不仅可以帮助工程师优化数据传输，而且还可以让他们在多轮使用周期后仍对接触和插入满怀信心。本文将逐步演示如何采用统一的建模与仿真（MODSIM）方法来设计微型USB连接器。
无论是高清流媒体视频、游戏和智能设备等数据密集型应用，还是远程医疗和自动驾驶等工业应用，都需要更高的带宽和可靠的连接。
为了支持更高的数据速率，必须更快地打开和关闭信号脉冲，也就是说，必须缩短它们的上升和下降时间。由于来自不连续处的反射、材料损耗、其他通道带来的串扰以及非对称模式转换等问题，在更高的信号带宽和更短的上升时间的情况下，更难实现信号完整性，尤其是在类似连接器这样的结构中。
电子数据通道需要以最小的信号失真促进数据传输。传输信号的PCB、连接器和电缆可能会成为不必要的噪声源，可能会干扰附近的电子设备。因此，确保较高的信号完整性并满足电磁兼容性（EMC）认证标准变得至关重要。
图1：3DEXPERIENCE平台中连接器的初始模型。
此外，我们不仅需要在首次使用时确保可靠连接，而且在成百上千次使用时也需要确保可靠连接。管脚必须正确接触，以最大限度地减少可能会导致信号完整性问题的反射和损耗，与此同时，弹片需要以正确的力将连接器固定在适当的位置，在确保其不会意外脱落的同时，方便用户完成插入和取出。
随着设备的快速演进发展，产品生命周期不断缩短，这限制了设计和分析的可用时间。在如此短的时间范围内，我们如何提高预测能力并做出更出色的设计决策？
计算机辅助设计（CAD）建模与计算机辅助工程（CAE）仿真均已得到广泛应用。“统一的建模与仿真”方法（MODSIM）充分结合上述功能，将CAD与仿真工具集成到一个通用的数据库中，用于在设计流程中分析设备的性能。所有模型和仿真数据都存储在一个统一的数据源中，因此所有用户都在使用相同的最新信息开展工作。我们可以直接利用CAD模型来构建仿真模型，再利用仿真结果指导相关设计。
MODSIM可以加速开发，因为其允许设计人员从设计的最初阶段就针对产品是否符合相关规范和需求进行验证，而不是将资源投入到开发和原型设计中，结果却在测试过程中发现问题。
就连接器而言，MODSIM可提供以下众多优势：
减少所需的原型数量：由于无需进行物理测试即可识别潜在的问题，因此只有当设计人员确信设计符合SI和EMC需求时，才需要制造物理原型。
改善各部门间的沟通：传统上，设计与仿真各自为政地开展工作。通过将两者完美整合在一起，MODSIM可助力实现协同工作，使设计人员能够更直接地访问仿真数据。
加快开发速度：此外，MODSIM还可加快开发速度，因为CAD模型可以直接传输到仿真中，从而减少为所有不同类型的仿真准备随时可用于仿真的模型所需的工作。然后，可以将仿真结果用于改进设计，甚至能够直接使用自动参数化或非参数化优化对其进行优化。
第一阶段：定义需求
在项目的第一阶段，产品负责人和CAE经理可为连接器项目创建一份综合全面的需求列表。这些需求可确保连接器同时满足电磁和结构规范要求，并符合行业标准。相关需求可能包括：
插入和移除力（上限和下限）
疲劳和插入周期
信号完整性
EMC法律限制
几何限制（尺寸、形状）
需求应用程序（来自达索系统ENOVIA品牌）用于创建项目和设计相关需求。这些需求按照不同的类别进行分类，可提供所有KPI的完整概述。例如，EMC规范文件夹下包含辐射发射（RE）需求，遵循不同频率范围的FCC标准。用户可以在需求规范中添加需求详细信息，其中包括各种参数值或参数范围、它们的优先级和成熟度状态、需求的负责人等。
在这个阶段，还可以在ENOVIA测试管理应用程序中定义验证是否符合需求所需的测试，并将其分配给负责此项工作的工程师。
第二阶段：建模
图2：初始连接器模型，包括PCB的各个部分。
设计专家和负责仿真工作的SI工程师将协同开展工作，确保连接器满足SI需求。参数化模型是使用已连接的SOLIDWORKS在云端创建的，并在云端进行仿真。
图2所示的是在SOLIDWORKS中设计的连接器模型。其由公 头和母头零部件组成，每个部件都连接到各自的PCB上。该模型为参数化模型，其简化了对几何结构和设计探索进行更改的流程。该模型将被保存至3DEXPERIENCE平台，以便所有参与该项目的利益相关方都可以进行访问。
第三阶段：仿真
现在，SI工程师在Power'By模式下启动电磁仿真工具CST Studio Suite，并从3DEXPERIENCE平台接收更新的模型。利用仿真设置将模型保存在本地，就可以定义频率范围、网格划分、端口和激励信号等重要信息，然后可以在本地或3DEXPERIENCE云平台上执行仿真。3DEXPERIENCE云平台可为偶尔有严苛仿真需求的用户提供强大的高性能计算（HPC）功能，对于他们来说，专用的本地硬件成本过于高昂。云平台助力推动仿真技术普及化推广，使设计人员能够更充分地利用仿真技术，并改进MODSIM工作流程。
我们使用了一种称为“瞬态传输线矩阵（TLM）”的特殊电磁求解器，它非常适合仿真复杂几何结构上的干扰/电磁兼容性（EMC）问题。其采用理想边界拟合技术（网格弯曲）和网格集总技术，在不影响仿真准确性的情况下，可显著减少对几何结构进行网格划分所需的网格数量。若有必要，仿真还可包括电缆本身和整个手机的几何结构。
在进行电磁仿真的同时，还可以对连接器的机械性能进行仿真。使用3DEXPERIENCE平台，在SIMULIA的结构仿真工具Abaqus中打开连接器模型。使用连接器的“虚拟孪生”对插入过程进行仿真，输出多轮周期内管脚上的应变（以及由此产生的变形）、保持力和疲劳等结果。
第四阶段：分析
图3：在CST Studio Suite中仿真的连接器。
图4：连接器的散射参数。
图5：连接器的TDR信号。
图3所示的是连接器的仿真模型以及使用差分信号激励的端口。图4所示的是回波损耗、插入损耗和串扰信号的频率图，图5所示的是时域反射计（TDR）信号。用户可以对高速连接器上的表面电流分布进行可视化和动画化。EMC合规性可以通过虚拟探针进行分析，这些探针可以在3米的距离内从不同方向捕获电场。上述内容反映了FCC辐射发射B类标准。
3DEXPERIENCE平台可提供结果摘要信息。在本示例中，所有频率下的串扰均在限制范围内，这表明串扰需求已得到满足。插入损耗亦是如此，但对于TDR而言，差分TDR阻抗低于所需值。同样，10GHz处的回波损耗也略高于最大允许值。
因此，我们可以说，当前设计不符合阻抗和回波损耗的需求。为了纠正这一点，需要对设计进行更改。
第五阶段： 重新建模和变更管理
信号完整性工程师发现，基线TDR在弹片位置的阻抗下降太多，但是选择缩短插座管脚短截线的长度，则可能会增加寄生电容。因此，这种设计更改必须与设计专家进行沟通。他们将使用变更管理协同开展工作，以确保对连接器模型进行必要的更改，使其满足SI需求的同时，还符合EMC标准，并由EMC工程师进行检查。
SI工程师通过使用问题管理来申请变更。该问题将被连接到基线几何结构上，并将使用“地标”进行可视化。设计人员需要在SOLIDWORKS中修改插座管脚的长度。一旦在SOLIDWORKS中修改了相应变量的值，更新后的模型将再次作为修订版本保存在平台上。新设计可以通过电磁仿真和结构仿真进行重新仿真，以确保其现在满足相关需求并且不影响机械性能。经仿真 证实，符合电磁需求并不会对连接器的电磁性能产生负面影响。
该模型将放置在“问题管理（issue management）”的“解析（resolve）”选项卡下，以便通知负责人，该模型已进行了更新。他们可以检查相关变更，并将其发送给相关人员以供审批。
第六阶段：审批
一旦问题得到解决，并且现在的设计符合图中所示的TDR要求，SI工程师可以通过验证新结果来更新测试管理（Test Management）下的新测试结果，并且可以将此测试案例标记为“通过（passed）”。因此，将把更新发送给项目经理，在审查相关结果后，测试被标记为“通过（passed）”并发送给CAE经理进行审批。CAE经理可以批准测试并且关闭这个需求。
与传统设计流程相比，MODSIM工作流程可以显著加速开发进程，在传统设计流程中，TDR问题可能只有在完成设计和构建原型后才能检测到。包括ENOVIA需求管理、SOLIDWORKS建模和SIMULIA仿真在内的所有工具，都可以从3DEXPERIENCE平台获得。相关团队能够在3DEXPERIENCE平台上协同开展工作，共享自动更新的通用模型，以确保所有人都使用最新的数据开展工作。最终的结果是，连接器能够满足所有电子认证需求和标准。
来源：达索系统
