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設計早期對EMC的考慮,EMC design

關鍵字：EMC

隨著產品復雜性和密集度的提高以及設計周期的不斷縮短，在設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的經驗法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經驗法則。結果，70% ~ 90%的新設計都沒有通過第一次EMC測試，從而使后期重設計成本很高，如果制造商延誤產品發貨日期，損失的銷售費用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問題，設計師應該考慮在設計過程中及早采用協作式的、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。在千兆赫茲領域，機殼諧振次數增加會增強電磁輻射，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，管理機構正在制定規章來保證越來越高的頻率下的順應性。再則，當工程師打算把輻射器設計到系統中時，對集成無線功能（如Wi-Fi、藍牙、WiMax、UWB）這一趨勢提出了進一步的挑戰。

傳統的電磁兼容設計方法

正常情況下，電氣硬件設計人員和機械設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。他們在設計期間經常使用經驗法則，希望這些法則足以滿足其設計的器件要求。在設計達到較高頻率從而在測試中導致失敗時，這些電磁兼容設計規則有不少變得陳舊過時。

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

電磁兼容仿真的挑戰

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

典型的EMC問題與機殼有關，而機殼對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節。這一要求導致很大的縱橫比（最大特征尺寸與最小特征尺寸之比），從而又要求用精細柵格來解析最精細的細節。壓縮模型技術可使您在仿真中包含大大小小的結構，而無需過多的仿真次數。

另一個難題是你必須在一個很寬的頻率范圍內完成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據。空間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射和散射。你可以每隔一定的時間，根據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）與輻射功率實測結果（藍色）進行了比較，（參考文獻1）。輻射功率計算值以1nw 為基準，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。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布局不同引起的。

潛在應用領域

EMC仿真可用于檢測元件和子系統，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、散熱器形狀的影響及其它因數。此外，你還可比較不同通風口尺寸與形狀以及金屬厚度的屏蔽效果。在該領域的最新應用中，有一項研究工作是對采用大口徑通風口進行送風并通過放置兩塊背靠背間隔很小的板來達到屏蔽效果這種方法進行評估。

EMC仿真也適用于系統級電磁兼容設計和優化，以便計算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠場輻射圖、用來模擬轉臺式測量情況的柱形近場電磁輻射以及用以實現可視化，有助于確定電磁兼容熱點位置的電流和電磁場分布。典型的系統級EMC應用有：確保最大屏蔽效果的機殼設計，機殼內元件分布位置的EMC 效果評估，系統內外纜線耦合的計算以及纜線輻射效果的檢測。EMC仿真還有助于發現有害電磁波在機殼和子系統中的機理，如空腔諧振，穿過孔、插槽、接縫和其他機座開口處的電磁輻射，通過纜線的傳導輻射，與散熱器、其他元件的耦合，以及光學元件、顯示器、 LED和其他安裝在機座上的元件固有的寄生波導。

接頭類型對EMC 的影響

你可以使用簡單而快速建立的機殼模型來進行接縫配置方面的設計折衷。圖2對對接接頭產生的輻射與重疊機殼接縫產生的輻射作出評估。通過比較相對的屏蔽水平，工程師就可以根據機殼的EMC預算和實現特定設計配置的成本來做出決定。仿真過程中增加內部元件僅僅對仿真時間產生很小的影響，所以設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部結構的交互作用的真實環境下對接縫屏蔽效果進行評估。插槽泄漏的設計規則不適用于以上幾個因素，會導致成本高昂的過設計和欠設計。

EMC仿真的典型應用是評估通風板的屏蔽效果。現在雖然有防止EMC泄漏的通風板設計規則，但EMC仿真能精確地預測比較特殊的結構，如具有大洞的背靠背通孔板、波導陣列等，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板的屏蔽效果的計算結果。該圖展示了這些通風板厚度（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。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仿真用來測定系統級電纜耦合的情況。EMC 仿真工具的幾何結構由一個19英寸機架內的三個網絡集線器組成。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用的內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計所引起的問題。建立在企業存儲系統的控制器節點（基本上是奔騰雙處理器計算機）模型上的這一技術就是一個例子。在將這一設計制作成硬件之后，就用一些熱管代替原來標準的奔騰芯片散熱器，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的電磁輻射（圖7）。在這一實例中，工程師之所以對由系統中一個120MHz振蕩信號引起的輻射進行隔離感興趣，乃是因為測量結果表明存在一個問題。因此，在計算寬帶響應之后，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，從而產生圖中的離散諧波。這一輻射在120MHz振蕩頻率的主諧波頻率上增加約40dB。很顯然，這樣一種不會產生有害的熱設計修改卻會對系統EMC順應性產生如此大而嚇人的影響。

發現問題根源后，您就可以探索經濟實惠的解決方案。在本例中，將導熱管頂部與機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，將一小塊涂有導電膠的防電磁干擾墊片貼于熱管頂部散熱片上，這樣與機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，從而在對輻射不產生負面影響的情況下改善了熱性能。

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

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