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电子产品设计初期EMC设计经验

2019/4/17    来源:电子工程世界    作者:佚名      
关键字:电子产品  EMC设计  
在设计过程中尽早采用EMC仿真,可在制造原型前研究和预测关键的EMC现象,从而在满足EMC要求和提高屏蔽效果两方面优化电子产品设计。

    随着产品复杂性和密集度的提高以及设计周期的不断缩短,在设计周期的后期解决电磁兼容性(EMC)问题变得越来越不切合实际。在较高的频率下,你通常用来计算EMC的经验法则不再适用,而且你还可能容易误用这些经验法则。结果,70%-90%的新设计都没有通过第一次EMC测试,从而使后期重设计成本很高,如果制造商延误产品发货日期,损失的销售费用就更大。为了以低得多的成本确定并解决问题,设计师应该考虑在设计过程中及早采用协作式的、基于概念分析的EMC仿真。

    较高的时钟速率会加大满足电磁兼容性需求的难度。在千兆赫兹领域,机壳谐振次数增加会增强电磁辐射,使得孔径和缝隙都成了问题;专用集成电路(ASIC)散热片也会加大电磁辐射。此外,管理机构正在制定规章来保证越来越高的频率下的顺应性。再则,当工程师打算把辐射器设计到系统中时,对集成无线功能(如Wi-Fi、蓝牙、WiMax、UWB)这一趋势提出了进一步的挑战。

传统的电磁兼容设计方法

    正常情况下,电气硬件设计人员和机械设计人员在考虑电磁兼容问题时各自为政,彼此之间根本不沟通或很少沟通。他们在设计期间经常使用经验法则,希望这些法则足以满足其设计的器件要求。在设计达到较高频率从而在测试中导致失败时,这些电磁兼容设计规则有不少变得陈旧过时。

    在设计阶段之后,设计师制造原型并对其进行电磁兼容性测试。当设计中考虑电磁兼容性太晚时,这一过程往往会出现种种EMC问题。对设计进行昂贵的修复通常是唯一可行的选择。当设计从系统概念设计转入具体设计再到验证阶段时,设计修改常常会增加一个数量级以上。所以,对设计作出一次修改,在概念设计阶段只耗费100美元,到了测试阶段可能要耗费几十万美元以上,更不用提对面市时间的负面影响了。

电磁兼容仿真的挑战

    为了在实验室中一次通过电磁兼容性测试并保证在预算内按时交货,把电磁兼容设计作为产品生产周期不可分割的一部分是非常必要的。设计师可借助麦克斯韦(Maxwell)方程的3D解法就能达到这一目的。麦克斯韦方程是对电磁相互作用的简明数学表达。但是,电磁兼容仿真是计算电磁学的其它领域中并不常见的难题。

    典型的EMC问题与机壳有关,而机壳对EMC影响要比对EMC性能十分重要的插槽、孔和缆线等要大。精确建模要求模型包含大大小小的细节。这一要求导致很大的纵横比(最大特征尺寸与最小特征尺寸之比),从而又要求用精细栅格来解析最精细的细节。压缩模型技术可使您在仿真中包含大大小小的结构,而无需过多的仿真次数。

    另一个难题是你必须在一个很宽的频率范围内完成EMC的特性化。在每一采样频率下计算电磁场所需的时间可能是令人望而却步的。诸如传输线方法(TLM)等的时域方法可在时域内采用宽带激励来计算电磁场,从而能在一个仿真过程中得出整个频段的数据。空间被划分为在正交传输线交点处建模的单元。电压脉冲是在每一单元被发射和散射。你可以每隔一定的时间,根据传输线上的电压和电流计算出电场和磁场。

    EMC仿真可得出精确的结果。图1对装在一块底板上的三种模块配置(即1块、2块和3块模块)的辐射功率计算值(红色)与辐射功率实测结果(蓝色)进行了比较。辐射功率计算值以1nw为基准,单位为dB。你可以把多个模块配置的谐振峰值位置存在的小差异归因于在测量中难以将多个模块精确对准。值得注意的是,由于三种配置的输入功率都相同,所以辐射功率的谐振峰值和幅度的差异仅仅是由于系统布局不同引起的。

对装在一块底板上的三种模块配置

装在一块底板上的三种模块配置

图1 装在一块底板上的三种模块配置

责任编辑:程玥
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