電磁兼容(EMC)輻射和敏感度測試的準備會讓人血壓上升。您的產品能通過測試嗎？如果有良好的設計習慣，并依賴對印刷電路板(PCB)布線、接地和屏蔽的直覺，應能減少一些緊張，但當要進入 EMC 實驗室時，仍會面臨一些不確定性。

為了減緩焦慮，你可以用軟件對集成電路(IC)、PCB 布線、元件布局、模塊設計和系統(tǒng)設計進行建模。這些建模工具可以使你在建立原型之前深入了解某一設計的性能表現(xiàn)。

工具的仿真特性可以使你評估設計中的各種折衷因素，以及它們如何影響 EMC 性能。正如 EMC 設計通常是符合性、成本和時間之間的一種權衡，建模也是正確性、復雜性和仿真時間之間的一種折衷。

許多電路設計者、系統(tǒng)工程師和 EMC 工程師都使用建模軟件來預測 EMC 性能。事實上，EMC 工程師通常會在硬件工程師開發(fā)電路，以及 PCB 設計者布局電路板以前，根據(jù)一些假設或設計規(guī)格進行系統(tǒng)建模。例如，在有些公司，機械工程師們會使用 EMC 建模工具，以了解一個設計中優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)對 EMC 有何不利影響。

這些工程師也可能同時工作，EMC 工程師為系統(tǒng)建模，而設計者開發(fā)電路和 PCB 布局。系統(tǒng)設計者或 EMC 工程師了解電磁干擾(EMI)源的大致位置，而且知道外殼與開口的尺寸，他們就可以著手在 PCB 設計者布線期間開發(fā)一個系統(tǒng)模型。EMC 工程師開始時通常只擁有不完全的信息，而在設計過程中，根據(jù)電路設計者提供的信息，為自己的模型增加詳細內容，如時鐘頻率和上升、下降時間。

檢查設計規(guī)則

IBM 的著名工程師 Bruce Archambault 稱，規(guī)則檢查軟件可以將設計規(guī)則應用于一塊電路板，它是現(xiàn)在 EMC 設計中最有用的工具之一。例如，一個規(guī)則檢查器可以告訴你時鐘信號是否布放得離 PCB 板邊緣過近，或者某只 IC 是否需要一個去耦電容。

今天有多種數(shù)值方法來解析 Maxwell 方程，并預測 EMC 性能。它們包括有限元建模(FEM)分析、傳輸線方法(TLM)、有限差分時域(FDTD)方法等。


商用軟件程序通常僅采用一種建模方法。例如，Ansys 的 IceWave 軟件使用 FDTD，而 Comsol 的 Multiphysics 軟件則使用 FEM，F(xiàn)lomerics 的 FLO/EMC 使用 TLM。Todd Hubing 博士的一篇通俗文章解釋了這些方法，以及它們的優(yōu)缺點。
數(shù)值建模軟件通過解 Maxwell 方程，對一塊 PCB 周圍的 2 維或 3 維空間 E 場和 H 場建立模型。要解出 Maxwell 方程，你必須確定場在其中傳播的幾何尺寸。軟件為模型施加一個時域的高斯脈沖，并繪出響應曲線。一個脈沖會給你的模型引入很寬范圍的頻率。你可以將響應轉換到頻域，并將分析限制在感興趣的頻率內。
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系統(tǒng)模型

在系統(tǒng)級，EMC 工程師使用基于假設和初步規(guī)格的建模工具。初始模型可能包含顯示器、電纜的位置以及諸如電源和 PCB 等輻射源，但不包括其它更多的內容。隨著設計的進展，工程師將增加 IC 位置、散熱器、屏蔽，以及來自 CAD 軟件包的更多精確幾何尺寸。EMC 工程師也可以獲得設計中所用材料的數(shù)據(jù)，建模軟件可將這些用于其計算。

圖 2 顯示的是一臺計算機輻射發(fā)散的仿真圖。圖中用彩色來表示場強。一般情況下，紅色表示最高的場強級。如果你對某個頻率的場有疑問(如時鐘頻率或其諧波)，則必須對每張圖設定感興趣的頻率范圍。


不過，EMC 建模并不只是針對電路板、模塊和系統(tǒng)，你也可以將其用于器件級。圖 3 是一個 IC 內部綁定線的 EMC 模型。一根線上原有電流或偶然電流都可以通過互感耦合到鄰線上，這會導致器件的功能故障。

即使這個相對簡單的模型也突顯了對某個器件或系統(tǒng)精確建模的復雜性。一個模型必須描述一根線兩端之間的電壓 (ΔV)。如果ΔV 大于 0V，則綁定線中將有電流流過。

一個四線的導納模型要求你知道所涉材料的特性。模型需要每根線的導電率 (δ)、導磁率 (m)，以及介電常數(shù) (ε)。然后，你需要指定相鄰兩根線末端的電壓(V 1 至 V 4)，并用下面顯示的矩陣計算出一根線在另一根線中產生的電流，y 11、y 22、y 33 和 y 44 的導納值表示每根線對其自身的作用。所有 y 值均基于器件制造商提 供的 δ、m和 ε 值。(建模軟件通常包含一個材料特性庫，如導線、外殼和絕緣。)


建模的折衷

假設一個簡單模型可以包含相當多的信息，你會看到，用這些詳細信息作系統(tǒng)級建模是不實際的。因此，通常在某給定區(qū)域或體積內特性恒定的假設下，EMC 模型會將各個區(qū)域集中在一起。這些區(qū)域構成一個“mesh”(網(wǎng)格)。圖 4 表示一個 PCB 的網(wǎng)格模型，其中，軟件為每個區(qū)段建立了一個等效電路模型。

顯然，網(wǎng)格越精細，系統(tǒng)模型就越精確。但高分辨率要付出代價：仿真時間。一個復雜模型的運行要花數(shù)天時間。這是細節(jié)與時間之間的折衷。做出折衷決策需要經驗和直覺。你不可能仿真整個世界。你必須為自己仿真的內容定義邊界。


在開發(fā)一個模型時，要專注于那些比較可能造成 EMC 問題的區(qū)域。在電路板級，它是 IC 布局和布線。在系統(tǒng)級，要關注輻射源(IC 和振蕩器)的位置，以及散熱器的位置。你也應該關注外殼上用于顯示器、控制、電纜和接縫的開口。EMC 工程師一般能夠根據(jù)自己的經驗，提供有關建模的建議。

在 EMC 和其它參數(shù)之間也會出現(xiàn)折衷，尤其是熱量。外殼開口可以散出冷卻部件產生的熱量，但也可以使輻射溢出，并讓外部干擾進入。因此，工程師一般會在 EMC 仿真的同時使用能模擬系統(tǒng)熱特性的軟件。你經常要面臨挑戰(zhàn)性的設計問題。數(shù)值 EMC 建模可以降低測試一款實際產品時所面臨的壓力，但它不能擔保測試實驗室內的成功。沒有什么能替代一名有經驗 EMC 工程師的洞察力。

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