电磁兼容电子电路设计与仿真 电子电路, 中国区, 自我介绍, 设计

羞红的夏天

我先自我介绍一下，我叫林野，是中国区的技术工程师，主要是电子设计自动化方面的一些支持工作。我先跟大家需要提一下的就是说，对于现代的电子系统设计而言，我们面临这么三方面的挑战，一个是我们的产品需要有更好的性能，或者说它的指标表现需要更好，是我们设计的周期来讲，会有越来越紧的周期的限制，也就是说我们的成本要求更高，这点就决定了我们一定要选择一个适合我们产品设计的一个很好的一个设计工具，在现代的电子设计里面，没有仿真的工具，就靠你的经验，或者是你的公式来计算的话，那是很困难的，如果你就这样做的话，只能说有很大的潜力挖掘，本来你可以做的更好。
这是07年的时候美国的波斯顿一个集团做的统计，全球20家最具创新力的公司，我们看看这边有非常熟悉的，丰田等等一些，有14家都选了他们公司的解决方案。我们注意一下，不包含在这14家里面的公司，实际上仔细看一下的话就发现，其实这些公司主要是沃尔玛、星巴克这些公司，不是属于设计和制作行业，其实全球，在国内来讲，做得比较好，稍微大一点的电子设计方面的研究所或者是公司，还有像电子元件技术网(http://www.cntronics.com)和我爱方案网(http://www.52solution.com)这的电子行业门户网站，都选择了ANSYS公司。现在ANSYS公司的产品线，大概包含这么多的产品线，一个是结构仿真，还有流体仿真，热分析以及我们所关注的电子设计自动化这么四大个产品线。ANSYS公司一直致力于为大家提供叫做整合的这样一个产品设计解决方案，那么我们的EDA产品线呢，刚才也讲了，包含了四个产品，EDA产品也可以跟热分析这方面进行一个耦合设计。比如说在产品设计里面，有发热的问题，比如说我们做高频设计，如果是一个芯片的发热，可以定义它的芯片是多少，通过一个热分析的工具仿真出来，如果是微波的发热，这种问题的话，没有办法直接定义它的热流的。就需要耦合分析。这个ANSYS工具可以通过任何一个功能，把损耗和产生的热量，放到这里面去作一个处理得到温度场的分布。

我们回到我们所关注的电磁兼容环节里面来。EMI就是电磁干扰，由电磁现象引起的设备，传输通道或系统性能的下降。EMC电磁兼容：在有限的空间，时间和频谱资源下，各种设备共存而又不至引起性能降级的科学。大家看了以后觉得非常熟悉，但是不一定都理解，就是在设计过程中碰到的绝大部分问题，都是电磁兼容的问题。我们做产品的话，在平时的过程当中，会碰到这样那样的指标，会一项一项的过，在这里面，头疼的比方说一些标准的问题。后面我们会一起探讨，来帮助我们在设计的环节根本上解决这个问题，不是简单的加一个屏蔽或者什么样的问题。
我们首先说一下这些方面，大家在座的都是专家，看来主办方电子元件技术网和我爱方案网的号召力还是很大的。而且大家很清楚，电磁兼容和电磁干扰，在分析的时候有两个环节解决。有哪些因素来干扰呢，一个是系统结构还有参与信号的强度，这个会影响我们干扰源，还有系统的设计也有重要的影响。具体进一步来说，电磁兼容从设计仿真环节来讲，可以分为两大类，一个场仿真的工具，也就是说我们单独关注干扰途径的时候，举个例子，比如说对机箱的就要用场仿真布局来解决，包括雷击等等，都是通过场仿真工具来解决的问题。还有一部分问题是需要我们使用到电路，比如说一个PCB板，一个设备辐射的时候，我们需要完整的考虑PCB板的辐射和机箱的效果，这时候用到电子和电路的协同仿真来解决实际的问题。这个我们有很多这方面的具体的一些技术细节，来帮助我们实现这些平时听起来你像一个实际的一个设备，你要完整的仿真它的对外的一个辐射的状况，这个是非常困难的，这个我们后面会具体来看到这个困难，主要来自哪些方面，比如说这个机箱的问题，做过的人都知道，像这样的问题要直接仿真的话，计算量非常大，我们机箱知道，通风、热设计方面的一些考虑的，在这些地方必须加上通风口和散热的接口。这种情况在电子元件技术网的知识库 ( http://www.cntronics.com/public/baike )下提到过几次。。这种孔缝的结构，如果直接到场仿里面仿真的话，计算量非常大。ANSYS现在这个工具里面，提供了一种编辑条件，会单独对这个通风孔进行设计，然后到你的工程里面，那么这样做使我们的整个设计大大简化，并且它的仿真精度得以保证，这个时候我们做的工作更细化，比方说仿真这个孔是六边形还是圆形更好，在不影响我们导热的情况下，可以得到更好的一个电子屏蔽的效果。这个是我们需要说的。刚才看到这个问题，我们经常需要处理，这个仿真，如果有做车载的情况电子布局的话，这个是整车的电子系统仿真，就是DVD在工作的时候，对外产生的辐射，会不会对车上其他的电子设备道路影响，我们看DVD工作的时候，对于车体，这个计算量是非常大的，但是处理这样问题时候，现在我们的HFSS，推出HPC的仿真的功能，实现一个处理。如果是研究所里面工作的同事，大多数都配置了设备，可以实现计算，使我们的计算和计算的容量大大的提升。

这个是实际仿真的一个实例，这个是天线布局的问题。这样看到卫星上面放一个小型七个单位的东西，这个问题把它分配到32个节点计算机上，同时做B型计算，把整个太阳能翻版，对它的影响全部考虑在内的一个整体的仿真。另外还有一个需要提到的，就是所谓这个舱段设备布局与电磁防护设计。这个实际上坦克上的例子，针对我们做这个设备，机箱机柜的设计，道理上一样的，通过场仿实现的，一旦一个物体，几何结构和材料确定好以后，那么它就会有一个固有的频率，在好几年前，重庆有一个桥，出现垮塌的事故，当时部队在上面走，就是齐步走的时候，走路的频率，可能那个桥我估计就是当时设计的时候，没有做谐振的分析，走路的时候那个频率刚好等于桥的共振频率，这个时候桥就引起共振，桥塌掉了，如果不去做谐振频率考虑的话，会有什么影响？比方说看到，这个坦克，我们看到这个几何结构一旦确定的前提下，这个几何结构确定，就有固定的频率，118兆的时候，场的模式就是这个样子，这个场图说明什么问题，假定我们的一个设备是工作在118兆这样的频率，如果我们这个设备，放到这个位置，这个红的位置，就是代表场最强的地方，蓝色是弱的地方，产生什么，就是对外的工作显著增加，如果你是一个机箱，EMI测试的时候，当这个188兆的有一个尖峰，频率效果急剧的下降，反过来说，电磁波是互益的，外面有一个干扰，轻微的振动，对你的设备来讲，在188兆的时候抗干扰能力下降。所以我们设计中要注意。所以对于这样一个设计来讲的话，应该做什么样的工作。
到 www.52solution.com的 知识堂频道( http://www.52solution.com/knowledge )查看了一下，如果这个设备确实是188兆，改变几何结构，比如说这个要离188兆远。如果真的这个结构确定了，没有办法修改的时候，怎么样来处理呢？把它放到蓝色的区域，或者自发电磁比较弱的地方，使抗干扰能量提升一些。这个是一个天线的一个问题，这实际上归结为电磁问题，现在有一个全新的模块，处理开放场的结构。另外现在最新的版本。HFSS最新的版本13版本，这个是业界唯一能够做的仿真的工具。

比如说这里有一列的平面波，照射过来以后，在这个笔记本电脑里面，把这个接收的电路，被干扰的电路放在这个地方，清楚的看到，这个入射波找到这里面以后，这个电路上实际的波形，损害的波形是怎么样的。看的很清楚。那么整个电子兼容设计解决方案，我们所用到的工具，包括HFSS，这个是任意的仿真器，在这儿我们要特别强调一下，HFSS是处理任意的三维结构。HFSS单纯用于仿真不适合的，要花一个月的时间仿真一个PPT板，没有具体的意义。我们一般都是用Slwave，一般用这个工具来用，我们做好这个结构，比方说我们经常用的工具里面，做好的PPT板，直接导入到这个Slwave里面去仿真。整个这个包含PCB和我们的机箱机位在设计的流程具体包括八步，实际上用的工具三个。具体是哪三个工具？这里就不再细说，有兴趣的朋友可以去主办方网站看个究竟 http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/111/sid/20 。另外一个还要用到的工具，就是Designer Sl，是高性能非线性电路时域仿真，后面我们通过实例，具体看到我们怎么在这个平台里面，把我们的HFSS里面，加到里面去，完成一个电磁干扰的设计。那么对于PCB的设计来讲。我们PCB设计，刚才我们关注的主要是干扰路径的问题。现在回到干扰源这一块，来具体的探讨一下，PCB里面，首先仿真挑战，来自哪里？首先PCB非常复杂，一定要有一个非常专业非常专门针对PCB设计的工具，才能完成对于这样一个非常复杂的这个结构的整版的仿真，上午的时候就是滤波的加法的问题，加到什么样的地方，这个实际上说回来的话，又回到一个问题，就是PCB板，在任何一个材料特性和结构确定的情况下，他的谐振就已经被确立下来了，我们可以看到在这个地方。在ANSYS，把整个PCB板入进来以后，最直观就是分析，这个地方对应不同点，场的分布，就是谐振的电场的分布，以这个0.53谐振频率点为例，是这样的，红色的区域代表在这个地方，更强，绿色的地方更强，加到强的地方效果会更好。选用多大的数值，这个是跟你的，如果通过公式来说的话，跟你本身的容值和电感相关的，我们一般选用LC分之一，需要频率点越接近的点最好，在这个工具里面，把各个不同的厂商，提供的具体的电路型号，把曲线把它罗列出来，非常清楚的看到，这个曲线会是一个凹陷下去的地方，这个凹陷下去的点就是频率点，比如说选择刑侦频率点是530兆左右，把这样的电容实际加到这个PCB板里面，加到红色的区域，起到最好的电源效果。