Моделирование электромагнитных помех EMI.

Проектирование электроники в условиях современного высоко конкурентного рынка связано с высокими требованиями к электромагнитной совместимости (EMC), которая представляет собой важный фактор риска для конечной продукции. ANSYS предлагает лучшие в своем классе инструменты и проверенную методологию для точного моделирования характеристик электромагнитных помех электронных систем.

Часто говорят об электромагнитных помехах (EMI), как о проблеме. Это связано с тем, что обычно EMI серьезно не рассматривается до тех пор, пока регулирующие органы не сообщат о несоблюдении нормативов при обязательном тестировании оборудования на излучение и кондуктивные помехи. В действительности EMI - это всего лишь симптом, а не источник проблемы дизайна. Чрезмерное EMI, генерируемое электронной системой, является индикатором целостности сигнала и/или распределения мощности, которые проявляются как EMI.

Сложности в прогнозировании EMI во время процесса проектирования заключается в том, что нет никакого способа узнать, что наилучшие практические рекомендации по дизайну будут гарантировать приемлемый результат, с точки зрения EMI, до тех пор, пока не будут проведены тесты на излучение. Может оказаться преждевременным использовать все возможные приемы по улучшению функциональных характеристик в надежде на контроль EMI: перенаправление трассировки, фильтрация сигнала, экранирование элементов или закрытие всей печатной платы.

Современная методология моделирования для прогнозирования EMI

В этой статье обсуждается методика EMI моделирования для точного определения характеристик электромагнитного поведения электронной системы, имитации ее производительности в реальном времени, для виртуальных экспериментов нормативных испытаний на электромагнитные помехи. Моделирование EMI необходимо для идентификации и изоляции источника помех. В основе этой статьи лежат инструменты и технологии, которые предлагает ANSYS для того, чтобы предсказание EMI стало возможным.

Реальные затраты на разработку быстро растут с точки зрения времени и усилий, необходимых для диагностики и устранения проблемы, модернизации продукта и повторной подачи его на тестирование. Отчеты о соответствии обычно отражают только провал тех или иных тестов и не дают понять, почему произошел сбой. Соответственно это тестирование не способствует процессу модернизации.

Прогнозирование EMI не простая задача. Основным требованием к методологии проектирования, поддерживающей EMI, является способность моделирования электромагнитных помех. Необходимы решатели электромагнитного поля и симулятор цепей для точного предсказания характеристик системы, которые определены в трех областях: времени, частоте и пространстве. Электромагнитные помехи трехмерных структур напрямую влияют на важные нежелательные характеристики дизайна: искажение и затухание сигнала, связь сигналов, гармоники и т. д. Эти же параметры сами влияют на электромагнитную обстановку. Решатель электромагнитного поля в данном случае необходимый инструмент для точного моделирования электрического отклика трехмерной системы.

Методика моделирования EMI.

Электромагнитный решатель рассматривает проблему электромагнитных помех, как задачу поиска АЧХ в пространстве, но реальная информация существует во временной области, поэтому можно сказать, что это только половина решения.

Для полного решения задачи EMI необходимо переходить во временную область решения с использованием симулятора цепей. Для моделирования производимого излучения необходимо использовать гибридное связанное решение электромагнитного поля, где электромагнитная система представляется в виде набора извлеченных S-параметров, и симулятора цепей. При управлении моделью электромагнитной системы реальными сигналами гибридный решатель цепей оценивает производительность системы в реальном времени. В случае же кондуктивных помех используется обычный симулятор цепей, а модель представляется в виде извлечённых сосредоточенных параметров.

ANSYS SIwave предназначен для анализа печатных плат и электронных блоков. SIwave оптимизирован для получения быстрого решения для полной геометрической модели печатной платы, часто используется, как инструмент в задачах на электромагнитную совместимость посредством анализа электромагнитного поля в ближней и дальней зонах.

Для прогнозирования EMI требуется заключительный этап. На первом этапе извлечение модели электромагнитной системы позволяет определить пиковый частотный отклик на возбуждение. На втором этапе симулятор цепи определяет отклик системы в реальном времени. В результате отклик модели извлечёненных параметров электромагнитной системы в реальном времени используется для получения реального отклика электромагнитной системы. При моделировании производимого излучения обратно в электромагнитный полевой решатель частотной области передаются амплитуды напряжений и фазы, определенные во временной области, как выходные сигналы. Электромагнитный отклик на это возбуждение представляет собой излучаемое электрическое или магнитное поле, другими словами EMI системы. В случае кондуктивных помех в симуляторе цепей может быть получена частотная характеристика силовой электрической сети для оценки воздействия на сигналы во временной области, другими словами EMI характеристика цепи.

ANSYS HFSS является общепринятым отраслевым стандартом для электромагнитного анализа. ANSYS HFSS использует несколько вычислительных технологий основанных на методе конечных элементов, методе моментов и новом гибридном методе, что удовлетворяет требованиям к работе с произвольными трехмерными структурами. ANSYS HFSS также является правильным решением для случаев, когда требования к моделированию излучаемых помех возрастают, например, модель печатной платы в корпусе. Высокая точность воспроизведения EMI может быть достигнута путем включения приемной антенны в модель HFSS EM.

Смягчение рисков несоответствия

Идея включения методологии моделирования EMI в процесс проектирования, заключается в том, чтобы избежать любых неожиданностей на заключительном этапе проектирования. Хотя предмет EMI является сложным, основная методология для его моделирования проста.

• Электромагнитное решение связывается с решателем схем и цепей во временной области. Формируется отклик системы в реальном времени под управлением реальных источников и нагрузок из схемы.
• Полученный отклик передаётся обратно в электромагнитную модель и вычисляется электромагнитный отклик на возбуждение во временной области для определения EMI.

Сложно говорить об общей методологии моделирования, не обращаясь к конкретным методам, инструментам и возможностям, реализованных в ANSYS для решения различных вариантов. Во всех случаях предложенная методология будет одинакова, даже если вы будете использовать различные инструменты.

Ключом к положительному результату является начало контроля EMI на ранней стадии процесса проектирования и продолжение этого контроля до самого завершения разработки.

Моделирование излучаемых помех повышает ценность процесса проектирования с момента окончания этапа первоначальной компоновки и дизайна печатной платы. Используя EM-решатель, оптимизированный для быстрого решения этой простой геометрической структуры, можно получить быстрый результат EMI, просто измеряя частотную характеристику на расстоянии без сложной модели тестовой камеры EMI. Это самый подходящий уровень сложности в моделировании EMI, потому что на ранней стадии еще сложно сказать, будет ли еще изменяться компоновка, будет ли требоваться корпус, какова его структура и форм-фактор.

Моделирование EMI позволяет прогнозировать симптомы и изолировать причины электромагнитных помех. Имея начальные представления о потенциальных проблемах EMI, разработчики могут исследовать их причины и принять соответствующие меры для обеспечения целостности питания и сигналов. В случае, если добавляется корпус, необходимо использовать стандартный EM решатель, который может работать с произвольной трехмерной структурой, но методология моделирования электромагнитных помех остается той же самой.

Моделирования EMI предоставляет данные, необходимые для определения частот, на которых излучаемые помехи могут превышать установленные стандарты и изолировать источники. Графики частотного отклика идентифицируют нарушенные сигналы и гармоники. Одночастотные графики точечного поля позволяют определить, где эти сигналы распространяются.

Импорт данных проектирования

Первым шагом в моделирования EMI является импорт исходных данных в среду электромагнитного моделирования. Используя ANSYS, нет необходимости в создании или воссоздании геометрической модели устройства. Существуют инструменты для переноса моделей из специализированных электрических (EDA) и механических (MCAD) средств проектирования в среду ANSYS, что устраняет вероятность ошибки при перемещении данных из одной базы данных в другую; они также гарантируют, что решение основано на уникальном наборе ввода данных проектирования.

EDA и MCAD данные проектов передаются в среду ANSYS.

Характеристика электромагнитного поведения физических компонентов

Второй шаг в методологии моделирования EMI заключается в извлечении электромагнитной модели, которая точно характеризует импортируемые геометрические структуры. Сложность к EMI моделированию может варьироваться от простых моделей, например, печатных плат, до комплексных задач, например, печатная плата на поворотном столе внутри безэховой камеры с приемной антенной. Решение ANSYS подбирает правильный баланс вычислительных ресурсов для точного результата, подходящего для каждого уровня сложности.

Точность электромагнитной модели напрямую зависит от сеточной модели, лежащей в основе численных методов моделирования электромагнитного поля. Начальная сеточная модель, построенная на начальной геометрической модели прямого импорта из EDA или MCAD, адаптивно уплотняется в процессе решения до удовлетворения, заданных пользователем, критериев сходимости электромагнитной задачи. Подобные автоматизированные адаптивные методы используются всеми решателями ANSYS EM.

Точность электромагнитной модели напрямую зависит от сеточной модели, лежащей в основе численных методов моделирования электромагнитного поля.

Преимущество адаптивных сеточных генераторов заключается в том, что инженеру не нужно заниматься созданием или уточнением сеточной модели. Инструменты ANSYS гарантируют точное решение.

Имитация реакции системы на реальные сигналы в реальном времени

Третий шаг в методологии моделирования EMI - охарактеризовать реакцию системы в реальном времени. ANSYS DesignerSI - это гибридный решатель, способный обрабатывать сложный набор S-параметров, извлеченный электромагнитным решателем при моделировании во временной области. В DesignerSI электромагнитное решение становится реальным. Извлечённая электромагнитная модель связывается со схемой DesignerSI. Управляя системой реальными нестационарными сигналами и, соответствующим образом нагружая выходы, можно моделировать реакцию системы в реальном времени.

Связывая извлеченную электромагнитную модель ANSYS HFSS или ANSYS SIwave с ANSYS DesignerSI, система может управляться с истинными переходными сигналами при установленных нагрузках. Этот тип моделирования позволяет рассчитывать излучение для каждой частотной точке.

На данном этапе моделирования EMI необходимо принять некоторые технические решения. Анализ в гибридном решателе может стать чрезмерно сложным и долгим для выполнения, поэтому следует ограничиться в моделировании только теми цепями, которые имеют решающее значение для работы системы и могут способствовать распространению EMI. Обычно это силовые цепи, цепи данных и синхронизирующих сигналов.

Для моделирования EMI требуется решение в частотной и временной области для определения характеристик излучения. Данные из одного домена управляют другим и наоборот. Удобная технология динамической связи гибридного решателя DesignerSI с электромагнитным полевым решателем позволяет динамически отслеживать любые изменения в электромагнитной модели и автоматически обновлять изменённые модели в нестационарном анализе.

Измерение излучаемых электромагнитных помех.

На заключительном четвёртом шаге методологии моделирования EMI необходимо охарактеризовать реакцию электромагнитной системы в управляемом состоянии для измерения EMI. Для излучаемых помех это измерение выполняется в частотной области электромагнитного решателя. Все предыду щие шаги методологии выполняются для того, чтобы включить этот ключевой этап в цикл проектирования.

Используется “Push-excitation” - это технология, позволяющая вернуть решение симулятора цепей обратно в электромагнитный решатель, который теперь имеет необходимые данные по возбуждению для вычисления излучения. Автоматически передаётся информация по амплитуде и фазе напряжений. Полевой решатель использует эти данные для расчета излучений на каждой частотной точке.

Результаты и отчеты.

Результатом первостепенного приоритета является график и отчёт соответствия излучаемых помех, который генерируется вызовом специальной опции в ANSYS HFSS. Если отчёт, частотная характеристика на расстоянии, указывает на удовлетворение требованиям разработчиков, то никаких действий в отношении EMI не требуется.

Если отчет указывает на несоблюдение требований или график излучения показывает потенциальную возможность отказа, то доступные электромагнитная модель и схема симулятора становятся ключом к выявлению проблемных мест и их изоляции. График электромагнитных помех помогает выявить проблемные частоты -  комбинацию предполагаемых сигналов и их гармоник, наряду с нежелательными сигналами и любыми, связанными с ними, продуктами смешивания сигналов. После идентификации нужных частот строятся графики электромагнитного поля в этих точках, это помогает выявить, где эти частоты распространяются, чтобы источники помех могли быть изолированы. Подозрительные сигналы могут быть отключены в схеме DesignerSI, анализ повторяется, и EMI может быть пересчитана для проверки влияния.

Типичный пример

Компания Inovax использовала численное моделирование электромагнитных помех выпрямителя для воспроизведения на виртуальной модели всех экспериментов, которые использует регулятор при тестировании оборудования. Использовались программы ANSYS HFSS в связке с ANSYS DesignerSI.

Оригинальный выпрямитель, разработанный Inovax. Компания хотела проверить работу устройства, проведя виртуальные тесты EMI.

После завершения стадии компоновки печатной платы, Inovax использовали предложенную методологию моделирования EMI в процессе проектирования.

В моделировании использовались сигналы управления и их гармоники в диапазоне до 1ГГц. Значительное спектральное содержание сигналов может способствовать EMI, включая повторяющиеся гармоники высокой амплитуды через каждые 55 кГц.

Модель выпрямителя в ANSYS HFSS.

В этом случае была смоделирована камера EMI для измерения излучаемых помех. Модель включает печатную плату, вращающийся стол и приемную антенну. Для реализации динамической связи с DesignerSI требовалось добавить в схему дополнительный выходной порт для приемной антенны.

В электромагнитном решателе были использованы только наиболее значимые цепи для ускорения анализа, к каждой из которых, в начало и конец назначались порты. Решение искалось в частотном диапазоне до 1 ГГц, в постпроцессоре доступны все возможные комбинации S-параметров.

Результаты измерения электромагнитных помех на виртуальной модели показали хорошую корреляцию с фактическими измерениями, PCB в этом случае превысила нормы излучаемых помех.

Один из проблемных сигналов находится вблизи 60 МГц. График поля HFSS на этой частоте показал высокую величину поля на отдельной трассе печатной платы. Изменение этой трассировки или фильтрация сигнала этой дорожки может уменьшить EMI.

Виртуальная EMI камера смоделирована в HFSS, включает Inovax PCB и стандартную биконическую измерительную антенну. Результаты измерений электромагнитных помех показаны в правом нижнем углу.

В дальнейшем EMI платы удалось уменьшить за счет регулировки сигнала одного из драйверов с добавлением индуктивности на выходе.

В конечном итоге в модель был добавлен металлический корпус. Как видно из графика электромагнитного излучения, этот элемент устраняет оставшиеся проблемы, связанные с помехами.

Реальные измерения Inovax

Моделирование в ANSYS HFSS. Испытание на соответствие техническим условиям

Сравнительная диаграмма результатов моделирования устройства в ANSYS HFSS. Электромагнитные помехи с учётом корпуса и без него.

Напряженность электрического поля с корпусом и без.

Заключение

Прогнозирование EMI - сложная задача, которую можно решить, используя виртуальные модели для измерения EMI с самого начала процесса проектирования. Если существует проблема EMI, то для идентификации источников помех и их изоляции необходимо придерживаться наилучшим опытом в моделировании: точная характеристика электромагнитного поведения электронной системы, имитация ее работы в режиме реального времени, воспроизведение нормативных тестов электромагнитных помех, анализ результатов. Инструменты и передовые технологии от ANSYS помогают компаниям оптимизировать эту практику для того чтобы оборудование удовлетворяло установленным нормативам, а также сократить время и затраты на диагностику и устранение проблем, повторный выпуск оборудования и выполнение следующего цикла испытаний