智能電器控制板EMC仿真與優化

唐 駿 陳麗安 孫 園

（廈門理工學院電子與電氣工程系，福建 廈門 361024）

1 引言

電磁兼容性反映了電子或電氣設備/系統在其電磁環境中符合要求地運行且不對其環境中其他任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力[1]。智能電器是傳統電器與電子技術結合的產物，目前，以智能電器為基礎的大型電力設備的在線監測，對于電力系統的安全運行更是起著至關重要的作用， 由于智能電器經常運行于高電壓、大電流的現場環境中，與被保護和監控的設備、系統處于同一個電磁空間，以微型計算機為核心的監控單元必然會受到來自于電力系統的不同能量、不同頻率的電磁干擾，因此，智能電器的電磁兼容問題集中在智能電器的控制單元上。智能電器的電磁兼容性能直接關系到智能電器的可靠工作，進而對電力系統的安全運行造成影響。與智能電器功能與原理的研究相比較，EMC問題的研究顯得嚴重不足：在產品的設計過程中，不能針對 EMC問題系統地考慮元件性能的選配和系統結構的整合；某個 EMC問題的解決經常要經過反復的試驗和修改，并且往往不能對出現 EMC問題的范圍進行準確的定位，對該設計可能出現的EMC風險不能給出科學的預測。在設計時有一定的盲目性，往往存在過度設計和設計不足的問題，由此提高了成本、延長了開發周期。

最經濟有效的電磁兼容設計方法是在設計的早期階段充分考慮電磁兼容的技術要求，從國際上來看，電磁兼容仿真己經成為電子設備設計時必須的一個步驟，通過仿真可以在設備投入生產之前發現問題、解決電磁兼容問題，從而節省由于電磁兼容不達標造成反復修改設計的成本[2]。本文采用SIwave仿真軟件，在智能電器控制板設計階段，通過設計——仿真——優化——仿真的方法，在產品成型之前很好地解決了EMC問題。

2 電磁兼容仿真的基本方法

大體而言，電磁問題的計算方法可分為三類：理論分析法、專家系統及數值分析法。理論分析法對問題的幾何模型做簡化和假設，從而得到近似解。專家系統對場不進行精確分析，它根據自身數據庫，來估算相應的參數值。而數值方法設法求解帶有相應邊界約束條件基礎的場方程(麥克斯韋方程組)，對場進行精確地分析。由于數值方法的精確性，因而此方法在工程中得到了廣泛的應用。

電磁兼容數值仿真過程也就是電磁場問題的數值計算過程。在求解電磁場邊值問題的過程中，如果數學模型是齊次或非齊次偏微分方程，則只有對于簡單媒質和邊界條件的少數問題，才能由解析方法得到精確解。電磁波散射和衍射問題的數學模型是積分方程，求解過程中的計算量非常大，所以在過去計算機存儲容量和運算速度都十分有限的情況下，要得到解析解是很困難的[3]。隨著高速大容量電子計算機的迅速發展，利用計算機進行多維數值積分、高階矩陣求逆等運算己成為可行。自上世紀六十年代中期開始，計算機技術在求解導行波、天線和散射等實際電磁場問題的數值計算中得到了廣泛應用。到目前為止，電磁場數值分析方法在解決有關電磁兼容方面問題起到了非常重要的作用，80%的電磁兼容問題都能利用仿真在設計階段予以解決。數值分析方法則是把連續變量函數離散化，把微分方程化為差分方程，把積分方程化為有限求和的形式，從而建立收斂的代數方程組，然后利用計算機分步進行求解。為了精確分析在某一空間范圍內隨時間變化的電磁場，可能需要無限多個數據。但是，一方面，由于數字計算機可處理數據的字長和存儲容量的有限性使其無法存儲太多的數據，另一方面，運算速度的有限性使其在有限時間內難以得出對象的精確解，所以實際應用中必須作些近似和簡化。目前計算電磁場的數值方法有變分法、時域有限差分法、矩量法、有限元法、邊界元法等，其中變分法是這些方法的基礎。電磁兼容數值仿真商用軟件較多，主要有ANSOFT、CST Microwave Studio、 ANSYS(FEKO)、FLO/EMC、EMC2000、IES等。

3 仿真工具選擇

EMC仿真軟件能夠為我們提供非常有效的高頻和高速電磁仿真設計工具，它集高速電路建模、仿真和優化為一體，用仿真代替實驗，可以快速的幫助工程師完成高速電路EMC設計，實現信號完整性，減少研發費用，縮短研發周期。目前，國際上商業的EMC仿真軟件有許多種，主要應用于高速PCB電路設計、各種類型的高頻濾波器設計、高頻天線和波導設計、傳輸線設計（包括微帶、帶狀線和同軸電纜等）、信號完整性設計和電磁分析等。此外，不同仿真軟件對模型的要求也各不相同。根據智能電器控制板的特點，我們選用Ansoft SIwave作為仿真工具，該軟件是一個精確的整板級電磁場全波分析工具，它采用三維電磁場全波方法分析整板或整個封裝的全波效應。板上放置去耦電容的作用，改變信號層或分開供電板引入的阻抗不連續性；信號線與供電板間的噪聲耦合、傳輸延遲、過沖和下沖、反射和振鈴等時域效應；本振模和S、Z、Y參數等頻域現象。其結果可以先進的二/三維方式圖形顯示，并可輸出Spice等效電路模型用于Spice仿真。 SIwave提供了無縫的集成設計流程，可以從標準布板工具如，Cadence Allegro、APD、Zuken CR-5000等所產生的版圖直接輸入到SIwave中進行分析。

4 仿真結果及分析

為了減小電源/地彈噪聲和EMI輻射，該智能電器控制板采用了多層PCB板結構，此結構使得電源平面和地平面耦合更緊，同時可以嚴格控制阻抗以防止信號回路問題。但多層板結構會引起較嚴重的電源完整性問題，地層和相鄰的電源層形成波導結構，該結構的諧振模式取決于結構的幾何形狀、尺寸以及疊層的介質，由于諧振將導致嚴重的開關噪聲，因此，諧振模式的仿真必須在設計的前期進行[4-5]。

用SIwave軟件對控制板的PCB進行仿真分析。對于真實復雜的PCB板或IC封裝，包括多層、任意形狀的電源和信號線，SIwave可仿真整個電源和地結構的諧振頻率。針對該控制板，在頻率120MHz～1.2GHz范圍內，共計算10個諧振模式，如圖1所示。

圖1 諧振模式

在每一諧振模式下，整個板的電壓分布都能以三維圖形加以顯示，比較發現，在模式 2和模式8下，諧振最為嚴重，電壓分布如圖2和圖3所示。

圖2 模式2的電壓分布

圖3 模式8的電壓分布

圖4 放置去耦電容

控制板要盡可能避免工作在諧振頻率點，如果無法回避，則可以通過在PCB板上放置去耦電容改變諧振頻率[6]。阻抗與電容值滿足如下關系式：

其中，cZ是阻抗，C是電容值，ω是工作頻率。在諧振較嚴重的區域共放置 21只去耦電容，如圖 4所示，在相同的頻率范圍內重新計算諧振模式，結果表明，在120MHz～1.2GHz內只有一個諧振模式，如圖5所示，與之對應的電壓分布如圖6所示。結果表明，去耦電容改變了諧振頻率，從而實現控制板的工作頻率遠離諧振頻率，進而改善EMC性能。

圖5 諧振模式

圖6 優化后的電壓分布

5 結論

利用仿真的方法在電子設備設計之初解決EMC問題具有重要意義。本文介紹了EMC仿真的基本方法，并借助優秀的電磁仿真軟件SIwave對智能電器控制板進行了 EMC仿真分析。該控制板的特點是電源系統較復雜，由開關電源提供三種不同特性的電源，由于高速PCB的信號完整性、電源完整性與電磁兼容直接相關，因此，良好的電源完整性有利于信號完整性和電磁兼容，依據這一事實，對電源完整性的仿真作為該系統 EMI/EMC分析的重點。仿真分為兩個階段：優化前仿真與優化后仿真。由于去耦電容可以改變諧振頻率，因此優化的主要手段是在必要的區域合理地放置去耦電容。仿真結果表明，通過優化設計，PCB表面電壓明顯減小，有效地抑制了輻射，從而改善EMC性能。

[1] T. Steinecke, M. Schmidt, H. K?hne, W.John. EMC Modeling and Simulation on Chiplevel[C]. IEEE Customer Service, IEEE International EMC Symposium, Montreal, 2001：1191-1196.

[2] J.-J. Laurin, S. G. Zaky, and K. G. Balmain. On the prediction of digital circuit susceptibility to radiated EMI[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1995, 37(4)：528-535.

[3] 王長清.現代計算電磁學基礎[M]. 北京：北京大學出版社，2005.

[4] Mohamed Ramdani, Etienne Sicard and Alexandre Boyer. The Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits—Past, Present, and Future[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2009, 51(1)：78-100.

[5] Han Yi-feng, Yan Zhao-wen. The Simulation and Pre-design on the PCB of the Simulator[C]. Electromagnetic Compatibility and 19th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility. Singapore, 2008：871-874.

[6] Pingqiang Zhou, Karthikk Sridharan and Sachin S. Sapatnekar. Optimizing decoupling capacitors in 3D Circuits for Power Grid Integrity[J]. IEEE Design and Test of Computers, 2009, 26(5)：15-25.