EMC的EM仿真：控制干扰

　　对产品做EM（电磁）辐射仿真有助于确保通过FCC（联邦通信委员会）与CE（欧洲合格评定）测试，使项目跟上计划进度。每款产品都必须做EMC（电磁兼容）测试。FCC要求的测试是，保证产品EM辐射不会干扰无线电、电话与电视的工作。除了EM辐射测试以外，您的产品还必须具备电磁抗扰度，即一个确定EM脉冲的尖峰不会显著干扰产品的性能（参考文献1）。

　　做EM仿真需要复杂的软件工具。这些仿真必须同时考虑到一个宽广频率范围内的大小特性（图1）。另外，还必须选择一种适当的仿真方法，它可以是一种时域技术，如FEM（有限元方法），或者一种基于频率的方法，如MOM（矩量法）。对于大型问题，需要将仿真打碎为子域，或使用渐近方案技术。

       一旦拥有了强大的计算机和正确的软件，还必须为软件输入物理与电气数据，方法是采用数据库输入，或送入Gerber与DXF（图形交换格式）文件格式的机械配置，并手工输入介电常数与电路板堆叠结构。最后，必须为软件提供激励数据，如用Spice或S参数数据，或使用对产品中某个子系统的近场仿真结果。

　　Spice与场求解器

　　不可能用Spice去仿真EMC，因为Spice是一种针对Kichhoff方程的矩阵算术的计算型求解器，它采用的是分立元件的集总元素模型。最好的情况是，可以用Spice做一根有损传输线的建模，确定其对信号的影响，但无法给出辐射到空间中的场。对于这个问题，需要场求解器做仿真（参考文献2）。场求解器采用有限元、网格和迭代法，为电路设计解算Maxwell方程。EM仿真软件必须考虑设计的机械结构以及使用的材料（见附文1“计算机的能力”）。

　　尝试用于仿真的最高频率以及电路的大小决定了将要面对的场求解问题的规模。10MHz时的波长为30m，这意味着1cm的走线要比波长小得多（图2）。软件可能要使走线与较小区段相吻合，以迭代到一种方案。30m波长几乎均匀地作用于1cm走线上。

　　设想打到一艘军舰上的一个2cm波长10GHz雷达信号。场求解器软件必须将军舰分成数百个微小的网格，船体表面的每个平方厘米都要放入10个甚至100个网格。一艘金属军舰的表面并不是纯粹反射，因此软件必须做3维网格，这就有更多的计算元素，因为还要包括内部区。运行软件的工作站需要数百G字节的内存，用于存储这些网格的中间计算结果，要解算覆盖这么大面积的场需要花几个月时间。可以将问题打碎成为很多域，用迭代解算法，从而解决存储器问题，但这种方案花的时间更多。

　　当你做EMC测试时，很小的机械特性也会带来性能的大变化。盖子上的一条缝，一根错误的走线，或IC封装上的一个铝制散热片，都可能使产品通不过EMC辐射测试。这些机械特性的作用就像天线一样，因此它们也可能接收周围的能量，使产品的电磁抗扰性能不佳。标准要求的符合性频率是在960 MHz以上。因此，EMC的仿真是一个需要大量运算的宽带问题。你必须对这些频率都做仿真；于是，仿真一个大型系统要花的时间是不可接受的。即使对一个相当简单的产品，问题的复杂性也足以让人生畏。另外，还有很多现象也对EMI（电磁干扰）起作用，包括走线的电场辐射、电感的磁场，以及电缆辐射和接受的电磁场。

　　一个典型的EM仿真策略是将问题切分成碎片，并且要看是相对测量还是绝对测量。你需要了解客户使用产品的方式，将自己的EMC分析划分成可管理的片断，然后评估这些片断相对于整个问题的关系。叠加原则可能很有助益。据说，对于全线性系统，两个以上激励在给定位置与时间上产生的净响应，等于每个激励单独造成的响应之和。如果三个主要贡献因素影响着你的EMI特征，那么可以单独激励每一个因素，必要时要使用不同的技术，然后将结果以RMS（均方根）方式加总，前提是它们不相关。不过，有时一个系统会影响到另一个系统，它们有相互作用。

　　仿真了PCB（印刷电路板）后，此仿真就表述为一个辐射模型，然后将其插入到一个较大组件中。虽然你可以用类似的信号来仿真PCB的辐射，但你可能有一些开关电源，它不仅有电场，也有磁场。围绕这些元件有一个外壳，而产品伸出的电缆都是会辐射能量的天线，使产品无法通过EMC测试，并且也会接收能量，使电路无法通过抗扰度测试。你可能还要决定分立的辐射样式如何加到总辐射水平上。这个决策可能揭示出非线性电路的可怕现实，如为了获得好的效率而将RF功率放大器驱动到饱和状态。叠加技术不适合于非线性系统，它会使你低估了来自电路的辐射。

　　技术的选择

　　场求解器公司的数学与软件专家们开发了很多方法，帮助你做EM仿真。你可以使用2维仿真程序，如HyperLynx和SIwave（信号完整性波形），评估一块PCB的EMC。修正电路卡上的信号完整性与电源完整性问题通常 也就修正了EMC问题。你可以对低频和较小的物理问题采用时域仿真。时域技术的主要好处是：它们能使用加快算术运算的GPU（图形处理单元）卡。

　　REMCom技术解决方案公司的培训、应用及咨询经理James Stack报告说，增加一个GPU可将求解器速度提高30倍，而装备了四个GPU卡的计算机可以将速度提高150倍。CST（计算机仿真技术）公司的技术支持与工程副总裁David Johns称，他的公司的时域求解器使用一只GPU时，解决问题的速度要快12倍。

　　不幸的是，在较高频率时，时域技术不是求解EM场的最佳方式。对于较慢信号来说，FEM与时域场求解技术工作良好，而对较高速度和较大问题，就是MOM与渐近求解器大展身手的地方了（表1）。明智的方法是在一台拥有大量内存和多个CPU核心的PC工作站上，使用基于频率的求解器。Feko和CST这类公司使用MLFMM（多级快速多极法）技术，它用少量计算功率即可解算出大型问题。当问题更大，并且必须工作在高于10 GHz频率时，就必须采用可以作渐近分析的专用求解器。在有些仿真中，一个物理域会影响另一个物理域（见附文2“多物理场对设计的影响”）。

　　来自Cadence、Mentor Graphics与Zuken公司的有些产品拥有为仿真软件获取电气与物理信息的工具。当用这些供应商的工具做PCB设计时，供应商会提供有关PCB层堆叠与材料的完整描述，于是，他们的信号完整性与场求解器工具就可以在仿真时使用这个数据。

　　另外要确保点工具可以接收你的PCB数据。CST与Sigrity公司可接受Cadence、Mentor、Zuken与Altium的数据库，这些工具和很多其它工具还接受ODB（开放数据库）++的PCB制造数据，它定义了PCB的物理结构与材料。SPEAG与2Comu这些全波仿真供应商都熟悉3维数据库，可以接受输入STEP（产品模型数据交换标准）、IGES（初始图形交换规范）、DXF，以及其它机械实体建模输出格式（图3）。一旦进入了仿真程序，程序会用与方法相关的算法匹配这些实体。

　　定义机械形状以及物理设计的介电常数只是EMC分析问题的一个部分。当使用时域技术时，只能将正确的时域波形置于走线的末端。IBIS（I/O缓冲信息规范）是一个驱动管脚波形的时域查找表，它可以描述一只管脚上信号的上升与下降。你还必须定义管脚上的数据；PBRS（伪二进制序列）通常适用于表述一个功能产品上信号的频谱成分。

　　你可以使用IBIS-AMI（算术建模接口）来定义正在使用中芯片的预加重电路和均衡器，但它不能定义产品运行时将出现的实际波形。一般情况下，只将一个PBRS用到IBIS-AMI块中。同时，你的设计可能以有数百个可能互相作用的走线（图4）。

　　S参数是在高频下，表述EM噪声源的频谱成分的最佳方式。一个PCB块的S参数表述仍然无法给出该块将输出的频谱成分，除非你用产品正常使用时的典型信号正确地激励了这个块。使用针对EMC的EM仿真确实会导致一个“先有蛋还是先有鸡”的问题。有时，正确表示辐射频谱的唯一东西是装在真正机箱内的一块工作电路板。这种情况下，当可以对其作简单测试时，问题的仿真可能就没有意义了，但做仿真仍很重要。你必须知道自己的仿真在哪里偏离了实际结果，并在仿真结果和实际结果之间作一个校正，这样可以改进自己的模型、网格或技术。这种方案也许无法为正在做的产品节省时间，但可以为下一个产品的开发节省数月甚至数年时间。从一个Spice仿真中获得的结果创建了一个近场模型，以后可以将其输入到一个3维求解器中，这是一种保持对自己EMC问题控制能力的好方法。

　　EM仿真的工具

　　没有一个独立软件可以做EMC分析。你应该将一组软件工具结合起来，帮助应对EMC的问题。例如，板级工具可以保证信号走向符合你的意愿，而不致辐射到空间去。所有企业级PCB公司都有很好的场求解工具，能辅助获得信号的完整性（参考文献3）。Mentor Graphics公司的HyperLynx工具可能最具知名度，但Cadence、Ansoft与Zuken也有强大的工具，可用于有数百条或数千条走线的PCB。SiSoft公司提供类似于HyperLynx的信号完整性工具。Sigrity Systems公司提供的软件可作为一种点工具，插入到PCB流程中。此工具可发现电源完整性与信号完整性问题互相影响的方式(见附文3“SI与电源完整性也很重要”）。一旦拥有了一块设计良好的PCB，就必须像一名RF板设计师那样去处理问题。

　　RF设计软件公司包括Agilent ADS、AWR Microwave Office、Ansoft、Sonnet、CST，以及很多其它公司，它们都可以帮助你应对难以处理的EMC分析工作。大多数这些公司还提供插入式软 件，如Agilent的ADS中的EMPro软件，它可以完成EM建模。这些工具还考虑了金属箱以及电路周围的屏蔽，可以对设计的电气与机械之间的关系作出评估，这是RF设计的内在需求。RF设计者都知道，机盖打开后，电路的性能就有变化。RF设计工具可以对机壳的散热开口建模，告诉你在某个频率下，从开口中发出的辐射量。

　　当PCB工作时，其激发作用产生的随机场是一个更难应对的问题，但场求解器公司CST与Ansoft都演示了解决它的方法。你要对多根走线使用真实波形的时域仿真，去做一个仿真。然后获取来自PCB辐射的一个近场表述。在源的短距离上，电场与磁场并不直接相关，因为它们要通过空间作波形传播。然后，将这个近场结果插入到全波求解器中，就可以计算出产品外壳、电缆和其它机械特性的作用（图5）。

　　软件不会思考

　　采用场求解器的EM仿真并不能提供一剂对EMC的万用灵药。此外，它们也不是解决设计灾难的魔幻精灵。场求解器供应商强调，计算机仿真只是整个设计过程的一部分，而不是当你的产品未通过FCC测试时才想起使用的补偿措施。不能期望一次计算机仿真就能找出所有需要改进的区域。但是，如果你在设计过程中，对设计各个部分使用并了解了仿真，将产品交给FCC和CE测试时就更坦然。很多情况下，计算机仿真中最有价值的事是教给你在一个复杂产品中EM场的非直观行为。做结构、材料和屏蔽工作有助于你理解正在发生的事情，并且可以设计出符合规范要求的产品。

　　当信号频率在GHz量级时，一片FPGA上的鳍状散热片也会成为一个相位阵列天线，在产品中辐射能量。机壳上的散热口亦是相位天线。即使你没有时间或预算去彻底地仿真一个电路板向3m以外辐射的电信号，但仍然可以使用全波仿真。对散热片的宽带仿真会告诉你散热片的谐振频率，以及谐振的频谱样式。你还可以对开口机壳作一个宽带激励。如果散热片的频率与位置会跟随机壳的谐振，那么这些频率就会产生麻烦。修正方法可能很简单，如将散热片旋转90度，或改变鳍片或机壳上开口的间距。

　　场求解器程序有陡峭的学习曲线，尤其是对那些不熟悉3维仿真的工程师（图6）。一旦了解了软件，就必须学习如何输入自己的物理结构与电气激励。这似乎是一个没有尽头的任务，但一旦你通过一次仿真，准确地预测了自己产品的性能，就会看到使用仿真的吸引力（图7）。仿真可以在数小时内评估设计，而不需要花数月时间。它们并不能保证你的产品通过辐射与抗扰度测试，但确实能使你具备了一个相当大的优势，强于那些只简单采用“试验性”方法，试图使自己产品通过FCC与CE认证的公司。你在产品的末期作测试，而此时是否交付产品取决于公司的情况。

　　聪明的工程师们会使用软件仿真，在设计的早期作EMC评估，从而在关键的产品发布期间避免出现高风险的EMC问题。他们仍需要作设计与日程变更，但有充裕的时间高效地解决问题，而不致延迟产品的面市。

 
 参考文献
1. Rako, Paul, "RFI: keeping noise out of your designs," EDN, Jan 10, 2008, pg 25.
2. Rako, Paul, "Beyond Spice: Fieldsolver software steps in for modeling high-frequency, space-constrained circuits," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
1. Rako, Paul, "Swimming in the channel," EDN, March 18, 2010, pg 34.

　　
       附文1：计算机的能力

　　当你评估那些帮助你做EMC（电磁兼容性）的软件包时，一定要搞清楚软件包所输入物理模型的格式，以及它们使用了哪种PCB（印刷电路板）软件包。向供应商咨询软件表述激励函数的方法，确认你可以创建这些表述。最后，采购适当类型的工作站。如果你有针对时域仿真的时间和预算，工作站就应该有多只GPU（图形处理单元）。如果你要做较快的频率求解，则需要多核和多CPU机器，并且要有大的内存，以存储仿真过程中产生的中间结果。

　　现代计算机一般可以在数小时内解算复杂的产品，比如计算机般规模的系统。一个关键的性能是计算机一晚能够解算多大的问题。你可以花白天时间作设置，指定结构，然后在下班回家前让场求解器运行起来。第二天早晨，你就能够查看结果，决定是否变更设计或重做仿真。只是要记住，处理EMC问题的工作没有部门界限。修正既有机械方面的也有电气方面的，而做EMC工作的团队需要有权修改一切，从而解决问题。

　　附文2：多物理场对设计的影响

　　有了经验 和深思熟虑，就可以结束自己的EMC（电磁兼容性）分析，在过程的各个时点上，使用软件确保通过FCC（联邦通信委员会）与CE（欧洲合格评定）测试。不过要记住，惊讶总是随时可能降临。“多物理场”这个术语表示了仿真中各个域的相互作用，在EMC中经常见到。例如，如果RF能量加热一个呈现居里点的材料，则仿真时不仅必须考虑材料周围空间的电气特性，还包括材料上的热效应。然后还必须计算材料磁特性改变所导致的电场变化。

　　当产品机箱上的开口影响到产品的热性能和溢出RF量时，就会出现一个更常见的多物理场问题。在这些情况下，机械工程师与电气工程师有不同意见，前者认为要在机箱上采用大开口以降低热量，而后者则力主无开口，以衰减EMI（电磁干扰）。Ansys与Comsol公司有多物理场功能的软件可以在这些相互冲突的部门愿望之间找到折中方案。通过软件对最优冷却点的仿真，至少能为EMC性能提供一些裕度，平息争执，让产品设计能继续下去。同样，软件并不能保证你通过FCC测试，但它提供了一种折中方法，使两个小组可以评估进一步的工作。

　　附文3：SI与电源完整性也很重要

　　场求解器很适合用于评估电路的SI（信号完整性）。求解器还有助于解决PCB（印刷电路板）上的电源完整性问题。这些问题与EMC（电磁兼容）关联的原因是，解决了SI与电源完整性问题，通常也就解决了辐射与电磁敏感性的问题。

　　Ansoft公司产品管理集团总监Lawrence Williams称，SI、电源完整性以及EMC都可归为一个“产品完整性”大类之下。一般可以用一个较简单的2维求解器，辅助设计出有良好信号完整性的PCB。但EMC是一个3维、全波的场求解器问题，如果优化了电路板上的信号完整性与电源完整性，就减少了它的辐射。

　　十几年前，Mentor Graphics公司的HyperLynx工具就预测出了一块复杂PCB在FCC（联邦通信委员会）测试中的性能。自那以后，Mentor Graphics公司从Zeeland收购了3维场求解软件，并加入到HyperLnyx中。这个方案将帮助解算承载6 GHz以上信号的过孔和连接器短脚。在这个速度上，即使PCB也需要采用3维求解器。正如信号完整性对EMC的关系一样，降低了辐射通常也就减少了抗扰度方面的问题。