設(shè)計(jì)早期對(duì)EMC的考慮

隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和密集度的提高以及設(shè)計(jì)周期的不斷縮短，在設(shè)計(jì)周期的后期解決電磁兼容性（EMC）問(wèn)題變得越來(lái)越不切合實(shí)際。在較高的頻率下，你通常用來(lái)計(jì)算EMC的經(jīng)驗(yàn)法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經(jīng)驗(yàn)法則。結(jié)果，70% ~ 90%的新設(shè)計(jì)都沒(méi)有通過(guò)第一次EMC測(cè)試，從而使后期重設(shè)計(jì)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(wèn)題，設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮在設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)鐘速率會(huì)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(huì)增強(qiáng)電磁輻射，使得孔徑和縫隙都成了問(wèn)題；專用集成電路（ASIC）散熱片也會(huì)加大電磁輻射。此外，管理機(jī)構(gòu)正在制定規(guī)章來(lái)保證越來(lái)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(jì)到系統(tǒng)中時(shí)，對(duì)集成無(wú)線功能（如Wi-Fi、藍(lán)牙、WiMax、UWB）這一趨勢(shì)提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
　　傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)方法
　　正常情況下，電氣硬件設(shè)計(jì)人員和機(jī)械設(shè)計(jì)人員在考慮電磁兼容問(wèn)題時(shí)各自為政，彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們?cè)谠O(shè)計(jì)期間經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)法則，希望這些法則足以滿足其設(shè)計(jì)的器件要求。在設(shè)計(jì)達(dá)到較高頻率從而在測(cè)試中導(dǎo)致失敗時(shí)，這些電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)則有不少變得陳舊過(guò)時(shí)。
　　在設(shè)計(jì)階段之后，設(shè)計(jì)師制造原型并對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試。當(dāng)設(shè)計(jì)中考慮電磁兼容性太晚時(shí)，這一過(guò)程往往會(huì)出現(xiàn)種種EMC問(wèn)題。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行昂貴的修復(fù)通常是唯一可行的選擇。當(dāng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入具體設(shè)計(jì)再到驗(yàn)證階段時(shí)，設(shè)計(jì)修改常常會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。所以，對(duì)設(shè)計(jì)作出一次修改，在概念設(shè)計(jì)階段只耗費(fèi)100美元，到了測(cè)試階段可能要耗費(fèi)幾十萬(wàn)美元以上，更不用提對(duì)面市時(shí)間的負(fù)面影響了。
　　電磁兼容仿真的挑戰(zhàn)
　　為了在實(shí)驗(yàn)室中一次通過(guò)電磁兼容性測(cè)試并保證在預(yù)算內(nèi)按時(shí)交貨，把電磁兼容設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)電磁相互作用的簡(jiǎn)明數(shù)學(xué)表達(dá)。但是，電磁兼容仿真是計(jì)算電磁學(xué)的其它領(lǐng)域中并不常見(jiàn)的難題。
　　典型的EMC問(wèn)題與機(jī)殼有關(guān)，而機(jī)殼對(duì)EMC影響要比對(duì)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(lái)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(wú)需過(guò)多的仿真次數(shù)。
　　另一個(gè)難題是你必須在一個(gè)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(jì)算電磁場(chǎng)所需的時(shí)間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線方法（TLM）等的時(shí)域方法可在時(shí)域內(nèi)采用寬帶激勵(lì)來(lái)計(jì)算電磁場(chǎng)，從而能在一個(gè)仿真過(guò)程中得出整個(gè)頻段的數(shù)據(jù)?？臻g被劃分為在正交傳輸線交點(diǎn)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(shí)間，根據(jù)傳輸線上的電壓和電流計(jì)算出電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
　　EMC仿真可得出精確的結(jié)果。圖1對(duì)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(jì)算值（紅色）與輻射功率實(shí)測(cè)結(jié)果（藍(lán)色）進(jìn)行了比較，（參考文獻(xiàn)1）。輻射功率計(jì)算值以1nw 為基準(zhǔn)，單位為dB 。你可以把多個(gè)模塊配置的諧振峰值位置存在的小差異歸因于在測(cè)量中難以將多個(gè)模塊精確對(duì)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(cè)元件和子系統(tǒng)，如散熱器接地的輻射分布對(duì)頻率特性影響，也可用于評(píng)價(jià)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(xiàng)研究工作是對(duì)采用大口徑通風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)并通過(guò)放置兩塊背靠背間隔很小的板來(lái)達(dá)到屏蔽效果這種方法進(jìn)行評(píng)估。
　　EMC仿真也適用于系統(tǒng)級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以便計(jì)算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖、用來(lái)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)式測(cè)量情況的柱形近場(chǎng)電磁輻射以及用以實(shí)現(xiàn)可視化，有助于確定電磁兼容熱點(diǎn)位置的電流和電磁場(chǎng)分布。典型的系統(tǒng)級(jí)EMC應(yīng)用有：確保最大屏蔽效果的機(jī)殼設(shè)計(jì)，機(jī)殼內(nèi)元件分布位置的EMC 效果評(píng)估，系統(tǒng)內(nèi)外纜線耦合的計(jì)算以及纜線輻射效果的檢測(cè)。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(guò)孔、插槽、接縫和其他機(jī)座開(kāi)口處的電磁輻射，通過(guò)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(duì)EMC 的影響
　　你可以使用簡(jiǎn)單而快速建立的機(jī)殼模型來(lái)進(jìn)行接縫配置方面的設(shè)計(jì)折衷。圖2對(duì)對(duì)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(píng)估。通過(guò)比較相對(duì)的屏蔽水平，工程師就可以根據(jù)機(jī)殼的EMC預(yù)算和實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)配置的成本來(lái)做出決定。仿真過(guò)程中增加內(nèi)部元件僅僅對(duì)仿真時(shí)間產(chǎn)生很小的影響，所以設(shè)計(jì)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(shí)環(huán)境下對(duì)接縫屏蔽效果進(jìn)行評(píng)估。插槽泄漏的設(shè)計(jì)規(guī)則不適用于以上幾個(gè)因素，會(huì)導(dǎo)致成本高昂的過(guò)設(shè)計(jì)和欠設(shè)計(jì)。

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EMC仿真的典型應(yīng)用是評(píng)估通風(fēng)板的屏蔽效果?，F(xiàn)在雖然有防止EMC泄漏的通風(fēng)板設(shè)計(jì)規(guī)則，但EMC仿真能精確地預(yù)測(cè)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(jì)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(píng)估
　　圖4所示的EMC 仿真應(yīng)用可確定一個(gè)散熱器的電磁輻射。在這一簡(jiǎn)單模型中，一個(gè)就在該散熱器下面的寬帶信號(hào)源激勵(lì)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(huì)使頻段中頻部分的輻射增大。

　　解決電纜耦合問(wèn)題
　　圖5示出了用EMC仿真用來(lái)測(cè)定系統(tǒng)級(jí)電纜耦合的情況。EMC 仿真工具的幾何結(jié)構(gòu)由一個(gè)19英寸機(jī)架內(nèi)的三個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器組成。一條四線帶狀電纜將上下兩個(gè)集線器中的印制電路板與中間集線器連接起來(lái)。中心集線器含有該模型中的唯一EMC信號(hào)源。EMC仿真工具計(jì)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(gè)頻率點(diǎn)顯示出兩個(gè)強(qiáng)諧振。解決這類問(wèn)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(cè)定此影響。下邊的曲線表明，增加一個(gè)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?yàn)樗鼪](méi)有從根本上解決問(wèn)題。

　　EMC仿真可使電纜耦合應(yīng)用的內(nèi)在物理過(guò)程一目了然，找到問(wèn)題的根源。在600MHz測(cè)定中央集線器內(nèi)部的電場(chǎng)分布，便可確定電場(chǎng)熱點(diǎn)，再由電場(chǎng)熱點(diǎn)確定在電纜附近產(chǎn)生高電場(chǎng)的空腔諧振。用一塊金屬隔板把集成器隔離起來(lái)，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(lái)確定和解決因溫升而修改設(shè)計(jì)所引起的問(wèn)題。建立在企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制器節(jié)點(diǎn)（基本上是奔騰雙處理器計(jì)算機(jī)）模型上的這一技術(shù)就是一個(gè)例子。在將這一設(shè)計(jì)制作成硬件之后，就用一些熱管代替原來(lái)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(gè)寬帶仿真工具可計(jì)算出系統(tǒng)的電磁輻射（圖7）。在這一實(shí)例中，工程師之所以對(duì)由系統(tǒng)中一個(gè)120MHz振蕩信號(hào)引起的輻射進(jìn)行隔離感興趣，乃是因?yàn)闇y(cè)量結(jié)果表明存在一個(gè)問(wèn)題。因此，在計(jì)算寬帶響應(yīng)之后，工程師在后處理中使用間接激勵(lì)來(lái)提取對(duì)所需源信號(hào)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(huì)產(chǎn)生有害的熱設(shè)計(jì)修改卻會(huì)對(duì)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(wèn)題根源后，您就可以探索經(jīng)濟(jì)實(shí)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(huì)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(lái)的情況實(shí)際上相同，從而在對(duì)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(jì)過(guò)程中盡早采用EMC仿真，可在制造原型前研究和預(yù)測(cè)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(jì)。與先制造原型，再?gòu)腅MC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(jì)師評(píng)估更多的設(shè)計(jì)，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(jì)，因?yàn)橛捎贓MC原因而進(jìn)行設(shè)計(jì)修改常常會(huì)影響其他設(shè)計(jì)問(wèn)題，如熱管理。因此，有意義的是，EMC 仿真工具可使設(shè)計(jì)師綜合考慮EMC 和其他重要設(shè)計(jì)約束條件，以使系統(tǒng)總成本和系統(tǒng)性能最佳。
　　參考文獻(xiàn)
　　1. Li, K, et al, "FD-TD Analysis of Electromagnetic Radiation from Modules-on-Backplane Configurations," IEEE Transactions on EMC, August 1995.