预测EMC性能的数值模型

电磁兼容(EMC)辐射和敏感度测试的准备会让人血压上升。您的产品能通过测试吗？如果有良好的设计习惯，并依赖对印刷电路板(PCB)布线、接地和屏蔽的直觉，应能减少一些紧张，但当要进入 EMC 实验室时，仍会面临一些不确定性。

为了减缓焦虑，你可以用软件对集成电路(IC)、PCB 布线、元件布局、模块设计和系统设计进行建模。这些建模工具可以使你在建立原型之前深入了解某一设计的性能表现。

工具的仿真特性可以使你评估设计中的各种折衷因素，以及它们如何影响 EMC 性能。正如 EMC 设计通常是符合性、成本和时间之间的一种权衡，建模也是正确性、复杂性和仿真时间之间的一种折衷。

许多电路设计者、系统工程师和 EMC 工程师都使用建模软件来预测 EMC 性能。事实上，EMC 工程师通常会在硬件工程师开发电路，以及 PCB 设计者布局电路板以前，根据一些假设或设计规格进行系统建模。例如，在有些公司，机械工程师们会使用 EMC 建模工具，以了解一个设计中优化的冷却系统对 EMC 有何不利影响。

这些工程师也可能同时工作，EMC 工程师为系统建模，而设计者开发电路和 PCB 布局。系统设计者或EMC 工程师了解电磁干扰(EMI)源的大致位置，而且知道外壳与开口的尺寸，他们就可以着手在 PCB 设计者布线期间开发一个系统模型。EMC 工程师开始时通常只拥有不完全的信息，而在设计过程中，根据电路设计者提供的信息，为自己的模型增加详细内容，如时钟频率和上升、下降时间。

检查设计规则

IBM 的著名工程师 Bruce Archambault 称，规则检查软件可以将设计规则应用于一块电路板，它是现在EMC 设计中最有用的工具之一。例如，一个规则检查器可以告诉你时钟信号是否布放得离 PCB 板边缘过近，或者某只 IC 是否需要一个去耦电容。

今天有多种数值方法来解析 Maxwell 方程，并预测 EMC 性能。它们包括有限元建模(FEM)分析、传输线方法(TLM)、有限差分时域(FDTD)方法等。

商用软件程序通常仅采用一种建模方法。例如，Ansys 的 IceWave 软件使用 FDTD，而 Comsol 的 Multiphysics 软件则使用 FEM，Flomerics 的 FLO/EMC 使用 TLM。Todd Hubing 博士的一篇通俗文章解释了这些方法，以及它们的优缺点。

数值建模软件通过解 Maxwell 方程，对一块 PCB 周围的 2 维或 3 维空间 E 场和 H 场建立模型。要解出 Maxwell 方程，你必须确定场在其中传播的几何尺寸。软件为模型施加一个时域的高斯脉冲，并绘出响应曲线。一个脉冲会给你的模型引入很宽范围的频率。你可以将响应转换到频域，并将分析限制在感兴趣的频率内。 系统模型

在系统级，EMC 工程师使用基于假设和初步规格的建模工具。初始模型可能包含显示器、电缆的位置以及诸如电源和 PCB 等辐射源，但不包括其它更多的内容。随着设计的进展，工程师将增加 IC 位置、散热器、屏蔽，以及来自 CAD 软件包的更多精确几何尺寸。EMC 工程师也可以获得设计中所用材料的数据，建模软件可将这些用于其计算。

图 2 显示的是一台计算机辐射发散的仿真图。图中用彩色来表示场强。一般情况下，红色表示最高的场强级。如果你对某个频率的场有疑问(如时钟频率或其谐波)，则必须对每张图设定感兴趣的频率范围。

不过，EMC 建模并不只是针对电路板、模块和系统，你也可以将其用于器件级。图 3 是一个 IC 内部绑定线的 EMC 模型。一根线上原有电流或偶然电流都可以通过互感耦合到邻线上，这会导致器件的功能故障。

即使这个相对简单的模型也突显了对某个器件或系统精确建模的复杂性。一个模型必须描述一根线两端之间的电压 (ΔV)。如果ΔV 大于 0V，则绑定线中将有电流流过。

一个四线的导纳模型要求你知道所涉材料的特性。模型需要每根线的导电率 (δ)、导磁率 (m)，以及介电常数 (ε)。然后，你需要指定相邻两根线末端的电压(V 1 至 V 4)，并用下面显示的矩阵计算出一根线在另一根线中产生的电流，y 11、y 22、y 33 和 y 44 的导纳值表示每根线对其自身的作用。所有 y 值均基于器件制造商提 供的 δ、m和 ε 值。(建模软件通常包含一个材料特性库，如导线、外壳和绝缘。)

建模的折衷

假设一个简单模型可以包含相当多的信息，你会看到，用这些详细信息作系统级建模是不实际的。因此，通常在某给定区域或体积内特性恒定的假设下，EMC 模型会将各个区域集中在一起。这些区域构成一个“mesh”(网格)。图 4 表示一个 PCB 的网格模型，其中，软件为每个区段建立了一个等效电路模型。

显然，网格越精细，系统模型就越精确。但高分辨率要付出代价：仿真时间。一个复杂模型的运行要花数天时间。这是细节与时间之间的折衷。做出折衷决策需要经验和直觉。你不可能仿真整个世界。你必须为自己仿真的内容定义边界。

在开发一个模型时，要专注于那些比较可能造成 EMC 问题的区域。在电路板级，它是 IC 布局和布线。在系统级，要关注辐射源(IC 和振荡器)的位置，以及散热器的位置。你也应该关注外壳上用于显示器、控制、电缆和接缝的开口。EMC 工程师一般能够根据自己的经验，提供有关建模的建议。

在 EMC 和其它参数之间也会出现折衷，尤其是热量。外壳开口可以散出冷却部件产生的热量，但也可以使辐射溢出，并让外部干扰进入。因此，工程师一般会在 EMC 仿真的同时使用能模拟系统热特性的软件。你经常要面临挑战性的设计问题。数值 EMC 建模可以降低测试一款实际产品时所面临的压力，但它不能担保测试实验室内的成功。没有什么能替代一名有经验 EMC 工程师的洞察力。