ANSYS 高级应用工程师褚正浩——EMC仿真设计思路及方法介绍

2020-02-27 1188浏览

3.什么是EMC/EMI ➢ EMC电磁兼容: 主要研究预期外产生的电磁能量，及其传播和干扰。其目标是在有限的空间,时间和频谱资源下,各种设备共存而又不致引起性能降级 ➢ EMI 电磁干扰: 指的是一个接收电路受到外部或其他电路所造成电磁干扰，以及由此现象引起的设备,传输通道或系统性能的下降 EM Disturbance Level Immunity Limit EMC Margin Emission Limit 3 © 2017 ANSYS, Inc. Frequency August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 Equipment
4.电磁兼容标准 • 电磁兼容性测试分两类：电磁干扰（EMI）测试和电磁抗扰度（EMS）测试 • 依据相应的电磁兼容性标准和规范，测试在不同频率范围内，采用不同的方式进行辐射辐射电场强度测试辐射磁场强度测试 EMI 传导电源线传导噪声测试信号线传导噪声测试电源线电流谐波测试 EMC 电缆辐射辐射电压波动和闪变测试电源骚扰测试电场辐射免疫测试磁场辐射免疫测试快速瞬态电脉冲群猝发测试 EMS 传导浪涌冲击测试射频传导免疫测试电压突降/波动测试静电放电静电放电测试 4 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
5.EMI/EMC 问题的难点行业领域复杂 • 航空、航天、船舶、汽车、机车、通信、消费电子…… 研究对象繁多 • 复杂系统、单机设备、电源、PCB、芯片封装…… 频段覆盖广泛 • 低频、高频 • 频域、时域 • 模拟、数字 5 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
8.电磁兼容设计是一项复杂的系统工程 ISO/IEC 15288:2008: "A combination of interacting elements organized to achieve one or more stated purposes.“ 8 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
9.传统电子设计流程无法满足电磁兼容的设计要求电子部件开发整车组装 EMC测试测试超标整机产品 EMC测试 OK 加工组装 NO EMC认证测试通过 9 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 电子系统整改 EMC定位测试测试超标总结几点：抗风险能力差，设计靠理论，调试靠经验，优化靠猜测，产品周期总被延迟长等等。 ANSYS UGM 2017
11.尽早解决电磁兼容问题十分必要解决电磁兼容措施、成本与产品的开发过程的关系措施 104 成本 103 102 10 1 概念设计产品市场阶段 • 解决电磁兼容问题的成本随着开发过程的呈指数级增长 • 越早发现电磁兼容问题，解决方法就越多 • 若后期才发现问题，解决的措施就大大减少，难度也会大很多 • 基于虚拟原型的仿真，是在早期发现电磁兼容问题、研究解决措施的最佳手段 11 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 参考文献：A朱NS立YS文U，G电M磁20兼1容7 设计与整改对策及案例分析，北京：电子工业出版社，2012
12.电磁兼容预测与分析的对象和目的系统级车辆、飞机、舰船分析目的： ✓ 预测分析对象的电磁兼容性； ✓ 整改设计； ✓ 指标论证； ✓ 指标分配。 Transfer of specs Transfer of specs 设备级收发机、计算机、开关电源等电子设备器件级数模混合/高速/射频发射PCB、变压器、屏蔽盒等 12 © 2017 ANSYS, Inc. 验证/ 改进设计 August 3, 2017 Transfer ANSYS UGM o20f17specs
13.EMI/EMC 仿真分析需要何种软件？ EMI/EMC 分析软件电路仿真适用于功率电子、电路、控制系统仿真分析优势：速度快、适合电路/系统级仿真分析劣势：缺少物理原型系统仿真与集成能力电磁场仿真适用于二维/三维实体模型电磁特性分析优势：精度高、适合精确计算对象特定电磁特性劣势：缺少与电路/系统集成仿真分析能力 ANSYS • 滤波 • 接地 • 传导 • …… 13 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 • 泄漏 • 屏蔽 • 辐射 • ……
14.电磁兼容仿真设计挑战部件级 → 电源、电机、变流器、WPT → 电子控制单元 (ECU) → 天线、GPS、线缆设备级/子系统级 → 各设备的辐射、抗干扰、ESD → 功率电子、驱动控制子系统系统级 → 设备间电磁干扰 → 整车电气布局 → 整车辐射与屏蔽 14 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
15.全系统仿真面临的主要困难——数据不全系统级设备级部件级天线汽车导航系统空调 ECU 转向系统 ECU 15 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 主控ECU 门锁 ECU 燃油喷射装置 ECU ABS制动ECU
16.全系统EMC仿真难点 • 电子部件多，工作频段容易重叠，产生干扰，数据获取困难 • 尺寸差距大，结构复杂 • 电路结构复杂，具备非线性效应 • 电磁应用环境复杂 • 分层次的EMC分析，基于己有数据进行分析 • 与量测结合，相互协同 • 专用工具与通用工具结合 • 场路协同，模拟系统真实工况 • 应用混合算法 • 使用HPC，提高求解效率 16 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
17.全系统电磁兼容仿真的三个层次黑盒子数据全面性：－不具备系统内的主要设备和部件数据；仿真目的：－快速验证结论－研究设计规则灰盒子数据全面性：－具备系统内的部分数据，如关键线缆布局、设备机箱结构；仿真目的：－关键部件的电磁兼容性分析；－系统具体电磁兼容性问题的分析与定位；－研究设计规则 * 针对不同的问题需要采用不同的仿真方法。 17 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 白盒子数据全面性：－具备系统内的所有影响电性能的设备、部件和互连结构的数据；仿真目的：－全面分析和预测系统电磁兼容性；－搭建系统电磁兼容性设计流程；－研究设计规则
19.应用混合算法及HPC，提高求解效率 ANSYS 区域分解并行技术Savant:弹跳射线法 SBR Elect点ric尺al寸Size HFSS-IE & FEM-IE-PO 混合算法HFSS:有限元法 Geome几try何an和d 材Ma料ter复ial杂Co度mplexity 19 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
21.开关器件特征化建模分析器件参数化建模工具自动拟合由参数提取工具提取的数据 IGBT Infineon : eupec FZ600R12KE3 Extraction Tool Heat Source Diode Base Plate Thermal Capacitance Grease Heat Think Thermal Dissipation Resistance 25C Ambient Temperature Data sheet 21 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 Thermal equivalent circuit (IGBT & Diode built-in model)
22.场路协同/场场链接测试的噪声数据 Simplorer 功率电子与电路系统分析场路协同 HFSS 三维机箱、车辆结构辐射仿真 SIwave PCB近远场辐射仿真 22 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
24.ANSYS EMC仿真平台部件级设备级 Maxwell 场路协同 Simplorer/Designer 场路协同系统级 HFSS/Savant 开关电源 Q3D 电机 SIwave 场场链接系统功能及传导 HFSS 场场链接整车辐射及屏蔽线缆EMC PCB EMC 机箱辐射设备布局复杂电磁环境模拟 ANSYSWorkbench:多物理场仿真环境 • 电磁场、热、结构的多物理场仿真 EKM：知识管理平台 • DesignerXplorer 工程设计探索 24 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 HFSS (>100kHz) Maxwell/Q3D (DC~100kHz)
25.ANSYS EMC 解决方案仿真流程 IGBT 厂商器件模型数据 Simplorer EDA Tools PCB Layout 数据 PCB 参数提取 SPICE/IBIS 厂商器件模型数据 SIwave 芯片ESD 、电迁移、功耗优化 Designer Apache 功率电子CE 分析 Maxwell 电感、变压器电机电磁场仿真 PExprt 电感、变压器设计模型导入场路协同场/数据链接封装/PCB RE 分析 SI/PI 分析时域波形信号频谱 Q3D 线缆、母排、连接器寄生参数提取 HFSS 屏蔽效能、RE、RS分析线缆、连接器电磁泄漏 ESD 、防雷、防EMP 天线设计 CAD Tools 结构 CAD 数据 Savant 电大载体天线布局分析 EMIT 系统级射频干扰分析 25 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
26.ANSYS EMC分析能力 • 减少部件级辐射源头能量 • PCB SI/PI与EMI的相关仿真设计 • 电感、滤波器器件选型及设计 • 控制部件间耦合路径干扰 • 耦合路径定位及电磁泄漏评估 • 加强设备级受害器件保护 • 设备布局优化 • 设备屏蔽效能优化 • 虚拟EMC测试 • CE/RE/RS/BCI/HIRF/ESD 26 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
28.系统级EMC分析---EMIT ➢ 管理系统性能数据 ➢ 仿真 RFI/EMI 效应 ➢ 定位 RFI/EMI 的根本原因 ➢ 解决 RFI/EMI 问题 29 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
29.汽车上的多射频系统共址干扰仿真 N-ON-1 Analysis30 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 UHF的发射信号通过天线耦合至VHF发射通道，两者在PA处产生的四阶交调产物：（2*151.5MHz + 2*464.5MHz = 1232MHz）导致GPS灵敏度受扰 ANSYS UGM 2017
30.汽车上的多射频系统共址干扰仿真 31 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 在VHF和FM通道上使用带通滤波器帮助消除FM接收通道的干扰，以及VHF和UHF 产生的交调产物影响 GPS灵敏度
31.开关部件电磁辐射 • 即使器件工作在110Mhz，电场也主要分布在器件周围； Spectrum (MHz) Power (W) • 如果器件的功率非常高，可能造成 SpeEct距frieul离md a(器Mt(1VH件m/zm)很fo) r远10的00P地wo(Ww方)er电场强E度fiEe(依flVdie/然amldt)a1tm(1Vm/mf 16.52892562 21439.97604 16很.5高289；25.663212 21439.97604 56.412864927.631 33.05785124 8635.09049 33.0578521.729494 8635.09049 24.173072322.799 49.58677686 5579.619715 • 49经.5过867优726.化88763设1 计5和579分.6析19，715当前1模6.0型30在80524.873 66.11570248 4131.16773 661.11015M70H32.z40工863况下41，31工.16作77情3 况1良2.好653。766736.063 82.6446281 327P6o.8w2e3r585 E8fi2e.l6d4a4t6312.4m8014f5or 1302070P6wo.8w2e3r585 1E1f.iE1e5fldi5e9ald4t 5a18tm391.4m04f Spe9c9tr.u1m735(M53H7z2) 2712(.W88)8158 Spe9c9tr.u1m735(M53(V3.H87/9zm2)24) 2712(.W88)8158 10.5(5V9/6m4)583(6V.8/9m2 1165.5.72082942759632 2310483.93.5997563064 1165.5.7208294275.469683326112 2310483.93.5997563064 1506.345152583614794217.468361 313.3025.278315410254 28062325.705970449 313.3025.2783152441..70299540954 28062325.705970449 92.49.21176320572432412..799095 49.58677686 5579.619715 49.5867726.887631 5579.619715 16.03080524.873 66.11570248 4131.16773 66.1157032.40863 4131.16773 12.653766736.063 电场强度在110MH9z89，.21.67功435465率2387=1210k32W277162..882838518558 82.644632.480145 3276.823585 11.155945839.404 99.1735533.879224 2712.888158 10.559645836.892 115.7024793 2308.359536 115.70247.498361 2308.359536 10.355531741.486 32 © 2017 ANSYS, Inc. 132.231405 August 3, 2017 2022.75744 ANSYS UGM 2017 132.23144.09505 2022.75744 9.9216252441.905
32.变压器及滤波电感精确电磁设计 • 丰富的仿真结果和便捷的系统仿真模型提取（直流电阻、激磁电感、频）变交流电阻和漏感、寄生/耦合电容、小信号测试等 34 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
34.电缆辐射云图 (1) 设备外接40cm 直线缆 (2) 设备外接2m 直线缆 (3) 设备外接2m 卷曲线缆 36 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 (4) 设备外接1m 直线缆
35.电机辐射云图 • 参考资料： • 1. REPORT ON TOYOTA/PRIUS MOTOR TORQUE CAPABILITY, TORQUE PROPERTY, NO-LOAD BACK EMF, AND MECHANICAL LOSSES, J. S. Hsu, Ph.D. C. W. Ayers C. L. Coomer R. H. Wiles Oak Ridge National Laboratory S. L. Campbell K. T. Lowe R. T. Michelhaugh Oak Ridge Institute for Science and Education • 2. Report on Toyota/Prius Motor Design and Manufacturing Assessment, J. S. Hsu,C. W. Ayers,C. L. Coomer,C. L. Coomer • 3. Energy and Transportation Science Division Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System Interim Report T. A. Burress S. L. Campbell C. L. Coomer C. W. Ayers A. A. Wereszczak J. P. Cunningham L. D. Marlino L. E. Seiber H. T. Lin 37 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
36.SIwave仿真PCB辐射 ▪ 自带电容库(厂家测试的S参数） ▪ 通过厂家和器件编号进行选择 ▪ 包含ESR, ESL ▪ 检查电容曲线和属性 ▪ 根据焊盘尺寸准确建模器件焊接 ▪ 快速为PCB器件赋值电源输入的PCB模型，加载真实器件模型 Siwave可提取PCB走线与真实器件的寄生参数后的电路传输曲线。 38 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
39.系统电路仿真母排门极驱动 Y1 Y1 Ansoft LLC 3673.95 3000.00 2000.00 TR TR PowerLosses Curve Info Diode601.PEL NIGBT_AdvDyn1.POWER_T Sheet4_TR_Y_static_dtime 1000.00 0.00 0.00 0.50 1.00 Time [ms] 1.50 器件开关损耗波形 2.00 2.50 Ansoft LLC 27.14 TR 27.10 TR Temperature Rise Curve Info Diode601.TEMPJNCT NIGBT_AdvDyn1.TEMPJ_T Sheet4_TR_Y_static_dtime 27.05 27.00 0.00 0.50 1.00 Time [ms] 1.50 2.00 2.50 器件温升曲线 LCR参数矩阵 41 © 2017 ANSYS, Inc. 器件电气/热参数 August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
41.虚拟CE测试---考虑各种寄生参数影响 • Create geometric model in Q3D, Maxwell and solve • Model active components from datasheet • Model all passive components using impedance analyzer • Create and solve transient model in Simplorer LISN Resistor Voltages 2 1 0 Volts (V) -1 -2 -3 -4 V Rp V Rn -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Time (sec) 43 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 • Perform FFT Noise (dBV) 120 100 80 60 40 20 0 -20 0.15 0.3 ANSYS UGM 2017 DM Noise (dB V) 120 100 80 60 40 20 0 -200.15 0.3 Simulated CM EMI Spectrum 13 Simulated DM EMI Spectrum 10 13 10 30 30
47.虚拟设备RE测试 RADIATED EMISSIONS This example shows radiated emissions (using a Quasi Peak detector) that are captured by the bi-conical antenna for every angular position of the PCB simulated in SIwave. 49 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017 PCB MODEL COURTESY OF
48.场到场链接 A noise analysis by SIwave A excitation source SIwave to HFSS SIwave to HFSS A ECU analysis by HFSS A EM analysis by HFSS HFSS to HFSS 51 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
55.天线互耦抑制仿真分析高频段接收到低频段的互耦干扰 Vs. 天线间间距仅放大器与天线放大器 + 天线 + 滤波 + stub 放大器 + 天线 + Stub UHF-VHF Antenna 4.34m 两天线间距 0.84m 58 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017
56.卫星天线布局 59 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 7单元螺旋天线阵卫星布局 @3.5 GHz • FE-BI 技术能显著减小求解空间，降低资源消耗（21GB内存） • 可进一步分析太阳能电池板和天基雷达天线的影响 ANSYS UGM 2017
57.舰船天线布局 256单元天线阵舰船布局及与直升机载天线杂散干扰仿真 • 天线阵在10GHz带内的舰船布局仿真 • 天线阵350MHz带外与舰载直升机上天线的杂散干扰仿真 • 仿真结合了HFSS 有限大阵列仿真、HFSS-IE 区域分解等多项先进技术航母天线塔布局仿真 • 2单元喇叭天线在航母上的布局仿真 60 © 2017 ANSYS, Inc. August 3, 2017 ANSYS UGM 2017