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設(shè)計早期對EMC的考慮,EMC design

關(guān)鍵字：EMC

隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和密集度的提高以及設(shè)計周期的不斷縮短，在設(shè)計周期的后期解決電磁兼容性（EMC）問題變得越來越不切合實際。在較高的頻率下，你通常用來計算EMC的經(jīng)驗法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經(jīng)驗法則。結(jié)果，70% ~ 90%的新設(shè)計都沒有通過第一次EMC測試，從而使后期重設(shè)計成本很高，如果制造商延誤產(chǎn)品發(fā)貨日期，損失的銷售費(fèi)用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問題，設(shè)計師應(yīng)該考慮在設(shè)計過程中及早采用協(xié)作式的、基于概念分析的EMC仿真。

較高的時鐘速率會加大滿足電磁兼容性需求的難度。在千兆赫茲領(lǐng)域，機(jī)殼諧振次數(shù)增加會增強(qiáng)電磁輻射，使得孔徑和縫隙都成了問題；專用集成電路（ASIC）散熱片也會加大電磁輻射。此外，管理機(jī)構(gòu)正在制定規(guī)章來保證越來越高的頻率下的順應(yīng)性。再則，當(dāng)工程師打算把輻射器設(shè)計到系統(tǒng)中時，對集成無線功能（如Wi-Fi、藍(lán)牙、WiMax、UWB）這一趨勢提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計方法

正常情況下，電氣硬件設(shè)計人員和機(jī)械設(shè)計人員在考慮電磁兼容問題時各自為政，彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們在設(shè)計期間經(jīng)常使用經(jīng)驗法則，希望這些法則足以滿足其設(shè)計的器件要求。在設(shè)計達(dá)到較高頻率從而在測試中導(dǎo)致失敗時，這些電磁兼容設(shè)計規(guī)則有不少變得陳舊過時。

在設(shè)計階段之后，設(shè)計師制造原型并對其進(jìn)行電磁兼容性測試。當(dāng)設(shè)計中考慮電磁兼容性太晚時，這一過程往往會出現(xiàn)種種EMC問題。對設(shè)計進(jìn)行昂貴的修復(fù)通常是唯一可行的選擇。當(dāng)設(shè)計從系統(tǒng)概念設(shè)計轉(zhuǎn)入具體設(shè)計再到驗證階段時，設(shè)計修改常常會增加一個數(shù)量級以上。所以，對設(shè)計作出一次修改，在概念設(shè)計階段只耗費(fèi)100美元，到了測試階段可能要耗費(fèi)幾十萬美元以上，更不用提對面市時間的負(fù)面影響了。

電磁兼容仿真的挑戰(zhàn)

為了在實驗室中一次通過電磁兼容性測試并保證在預(yù)算內(nèi)按時交貨，把電磁兼容設(shè)計作為產(chǎn)品生產(chǎn)周期不可分割的一部分是非常必要的。設(shè)計師可借助麥克斯韋（Maxwell）方程的3D解法就能達(dá)到這一目的。麥克斯韋方程是對電磁相互作用的簡明數(shù)學(xué)表達(dá)。但是，電磁兼容仿真是計算電磁學(xué)的其它領(lǐng)域中并不常見的難題。

典型的EMC問題與機(jī)殼有關(guān)，而機(jī)殼對EMC影響要比對EMC性能十分重要的插槽、孔和纜線等要大。精確建模要求模型包含大大小小的細(xì)節(jié)。這一要求導(dǎo)致很大的縱橫比（最大特征尺寸與最小特征尺寸之比），從而又要求用精細(xì)柵格來解析最精細(xì)的細(xì)節(jié)。壓縮模型技術(shù)可使您在仿真中包含大大小小的結(jié)構(gòu)，而無需過多的仿真次數(shù)。

另一個難題是你必須在一個很寬的頻率范圍內(nèi)完成EMC的特性化。在每一采樣頻率下計算電磁場所需的時間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線方法（TLM）等的時域方法可在時域內(nèi)采用寬帶激勵來計算電磁場，從而能在一個仿真過程中得出整個頻段的數(shù)據(jù)?？臻g被劃分為在正交傳輸線交點處建模的單元。電壓脈沖是在每一單元被發(fā)射和散射。你可以每隔一定的時間，根據(jù)傳輸線上的電壓和電流計算出電場和磁場。

EMC仿真可得出精確的結(jié)果。圖1對裝在一塊底板上的三種模塊配置（即1塊、2塊和3塊模塊）的輻射功率計算值（紅色）與輻射功率實測結(jié)果（藍(lán)色）進(jìn)行了比較，（參考文獻(xiàn)1）。輻射功率計算值以1nw 為基準(zhǔn)，單位為dB 。你可以把多個模塊配置的諧振峰值位置存在的小差異歸因于在測量中難以將多個模塊精確對準(zhǔn)。值得注意的是，由于三種配置的輸入功率都相同，所以輻射功率的諧振峰值和幅度的差異僅僅是由于系統(tǒng)布局不同引起的。

潛在應(yīng)用領(lǐng)域

EMC仿真可用于檢測元件和子系統(tǒng)，如散熱器接地的輻射分布對頻率特性影響，也可用于評價接地技術(shù)、散熱器形狀的影響及其它因數(shù)。此外，你還可比較不同通風(fēng)口尺寸與形狀以及金屬厚度的屏蔽效果。在該領(lǐng)域的最新應(yīng)用中，有一項研究工作是對采用大口徑通風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)并通過放置兩塊背靠背間隔很小的板來達(dá)到屏蔽效果這種方法進(jìn)行評估。

EMC仿真也適用于系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計和優(yōu)化，以便計算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠(yuǎn)場輻射圖、用來模擬轉(zhuǎn)臺式測量情況的柱形近場電磁輻射以及用以實現(xiàn)可視化，有助于確定電磁兼容熱點位置的電流和電磁場分布。典型的系統(tǒng)級EMC應(yīng)用有：確保最大屏蔽效果的機(jī)殼設(shè)計，機(jī)殼內(nèi)元件分布位置的EMC 效果評估，系統(tǒng)內(nèi)外纜線耦合的計算以及纜線輻射效果的檢測。EMC仿真還有助于發(fā)現(xiàn)有害電磁波在機(jī)殼和子系統(tǒng)中的機(jī)理，如空腔諧振，穿過孔、插槽、接縫和其他機(jī)座開口處的電磁輻射，通過纜線的傳導(dǎo)輻射，與散熱器、其他元件的耦合，以及光學(xué)元件、顯示器、 LED和其他安裝在機(jī)座上的元件固有的寄生波導(dǎo)。

接頭類型對EMC 的影響

你可以使用簡單而快速建立的機(jī)殼模型來進(jìn)行接縫配置方面的設(shè)計折衷。圖2對對接接頭產(chǎn)生的輻射與重疊機(jī)殼接縫產(chǎn)生的輻射作出評估。通過比較相對的屏蔽水平，工程師就可以根據(jù)機(jī)殼的EMC預(yù)算和實現(xiàn)特定設(shè)計配置的成本來做出決定。仿真過程中增加內(nèi)部元件僅僅對仿真時間產(chǎn)生很小的影響，所以設(shè)計師可以方便地在引起插槽諧振間耦合、諧振腔模式以及與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的交互作用的真實環(huán)境下對接縫屏蔽效果進(jìn)行評估。插槽泄漏的設(shè)計規(guī)則不適用于以上幾個因素，會導(dǎo)致成本高昂的過設(shè)計和欠設(shè)計。

EMC仿真的典型應(yīng)用是評估通風(fēng)板的屏蔽效果。現(xiàn)在雖然有防止EMC泄漏的通風(fēng)板設(shè)計規(guī)則，但EMC仿真能精確地預(yù)測比較特殊的結(jié)構(gòu)，如具有大洞的背靠背通孔板、波導(dǎo)陣列等，并兼顧溫度和成本約束條件。圖3示出了具有圓孔或方孔的不同厚度通風(fēng)板的屏蔽效果的計算結(jié)果。該圖展示了這些通風(fēng)板厚度（左）和孔形狀（右）的屏蔽效果。

散熱器輻射的評估

圖4所示的EMC 仿真應(yīng)用可確定一個散熱器的電磁輻射。在這一簡單模型中，一個就在該散熱器下面的寬帶信號源激勵散熱器，顯示了散熱器與其所連接的IC之間的電磁耦合作用。該圖示出了三種配置的輻射功率譜。很明顯，輻射電平與幾何形狀和頻率有關(guān)。雖然較小的散熱器接地可降低頻段低頻部分的輻射，但會使頻段中頻部分的輻射增大。

解決電纜耦合問題

圖5示出了用EMC仿真用來測定系統(tǒng)級電纜耦合的情況。EMC 仿真工具的幾何結(jié)構(gòu)由一個19英寸機(jī)架內(nèi)的三個網(wǎng)絡(luò)集線器組成。一條四線帶狀電纜將上下兩個集線器中的印制電路板與中間集線器連接起來。中心集線器含有該模型中的唯一EMC信號源。EMC仿真工具計算出由中間集線器耦合到上部集線器印制電路板連接線的電流大小。耦合電流在600MHz和800 MHz兩個頻率點顯示出兩個強(qiáng)諧振。解決這類問題的一種常用方法是在受到影響的電纜上增強(qiáng)濾波功能，然后再借助仿真測定此影響。下邊的曲線表明，增加一個低通濾波器可減小諧振頻率上耦合電流的幅度，但卻不能將其消除。這是一種“應(yīng)急的”方法，因為它沒有從根本上解決問題。

EMC仿真可使電纜耦合應(yīng)用的內(nèi)在物理過程一目了然，找到問題的根源。在600MHz測定中央集線器內(nèi)部的電場分布，便可確定電場熱點，再由電場熱點確定在電纜附近產(chǎn)生高電場的空腔諧振。用一塊金屬隔板把集成器隔離起來，就可有效抑制空腔諧振模式并消除耦合（圖6）。

您可用EMC仿真來確定和解決因溫升而修改設(shè)計所引起的問題。建立在企業(yè)存儲系統(tǒng)的控制器節(jié)點（基本上是奔騰雙處理器計算機(jī)）模型上的這一技術(shù)就是一個例子。在將這一設(shè)計制作成硬件之后，就用一些熱管代替原來標(biāo)準(zhǔn)的奔騰芯片散熱器，這些熱管的占用面積與散熱器相同，但高度高一些，所用散熱片是水平的，而不是垂直的。

一個寬帶仿真工具可計算出系統(tǒng)的電磁輻射（圖7）。在這一實例中，工程師之所以對由系統(tǒng)中一個120MHz振蕩信號引起的輻射進(jìn)行隔離感興趣，乃是因為測量結(jié)果表明存在一個問題。因此，在計算寬帶響應(yīng)之后，工程師在后處理中使用間接激勵來提取對所需源信號的響應(yīng)，從而產(chǎn)生圖中的離散諧波。這一輻射在120MHz振蕩頻率的主諧波頻率上增加約40dB。很顯然，這樣一種不會產(chǎn)生有害的熱設(shè)計修改卻會對系統(tǒng)EMC順應(yīng)性產(chǎn)生如此大而嚇人的影響。

發(fā)現(xiàn)問題根源后，您就可以探索經(jīng)濟(jì)實惠的解決方案。在本例中，將導(dǎo)熱管頂部與機(jī)殼蓋之間連接一根地線消除容性耦合路徑，就是一種低成本的極好方法。具體的做法是，將一小塊涂有導(dǎo)電膠的防電磁干擾墊片貼于熱管頂部散熱片上，這樣與機(jī)殼頂蓋接觸就會擠壓墊片，形成一根接地線。圖8示出了電磁輻射圖，其中包括熱管接地后的結(jié)果。這種方法使得輻射與原來的情況實際上相同，從而在對輻射不產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下改善了熱性能。

在設(shè)計過程中盡早采用EMC仿真，可在制造原型前研究和預(yù)測關(guān)鍵的EMC現(xiàn)象，從而在滿足EMC要求和提高屏蔽效果兩方面優(yōu)化電子產(chǎn)品設(shè)計。與先制造原型，再從EMC角度優(yōu)化產(chǎn)品的做法相比，現(xiàn)代仿真工具可使設(shè)計師評估更多的設(shè)計，達(dá)到前所未有的水平。此外，值得注意的是，你不可以孤立地進(jìn)行EMC 設(shè)計，因為由于EMC原因而進(jìn)行設(shè)計修改常常會影響其他設(shè)計問題，如熱管理。因此，有意義的是，EMC 仿真工具可使設(shè)計師綜合考慮EMC 和其他重要設(shè)計約束條件，以使系統(tǒng)總成本和系統(tǒng)性能最佳。

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