干货｜电子产品设计初期的EMC设计推敲

较高的时钟速率会加大知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，管理机构正在制订规章来担保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寻衅。

传统的电磁兼容设计方法

正常情形下，电气硬件设计职员和机器设计职员在考虑电磁兼容问题时各不相谋，彼此之间根本不沟通或很少沟通。
他们在设计期间常常利用履历法则，希望这些法则足以知足其设计的器件哀求。
在设计达到较高频率从而在测试中导致失落败时，这些电磁兼容设计规则有不少变得迂腐过期。

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，这一过程每每会涌现各类EMC问题。
对设计进行昂贵的修复常日是唯一可行的选择。
当设计从系统观点设计转入详细设计再到验证阶段时，设计修正常常会增加一个数量级以上。
以是，对设计作出一次修正，在观点设计阶段只耗费100美元，到了测试阶段可能要耗费几十万美元以上，更不用提对面市韶光的负面影响了。

电磁兼容仿真的寻衅

为了在实验室中一次通过电磁兼容性测试并担保在预算内按时交货，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浸染的简明数学表达。
但是，电磁兼容仿真是打算电磁学的其它领域中并不常见的难题。

范例的EMC问题与机壳有关，而机壳对EMC影响要比对EMC性能十分主要的插槽、孔和缆线等要大。
精确建模哀求模型包含大大小小的细节。
这一哀求导致很大的纵横比（最大特色尺寸与最小特色尺寸之比），从而又哀求用风雅栅格来解析最风雅的细节。
压缩模型技能可使您在仿真中包含大大小小的构造，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。
在每一采样频率下打算电磁场所需的韶光可能是令人望而生畏的。
诸如传输线方法（TLM）等的时域方法可在时域内采取宽带勉励来打算电磁场，从而能在一个仿真过程中得出全体频段的数据。
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。
你可以每隔一定的韶光，根据传输线上的电压和电流打算出电场和磁场。

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）的辐射功率打算值（赤色）与辐射功率实测结果（蓝色）进行了比较，（参考文献1）。
辐射功率打算值以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丈量中难以将多个模块精确对准。
值得把稳的是，由于三种配置的输入功率都相同，以是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

潜在运用领域

EMC仿真可用于检测元件和子系统，如散热器接地的辐射分布对频率特性影响，也可用于评价接地技能、散热器形状的影响及其它因数。
此外，你还可比较不同透风口尺寸与形状以及金属厚度的屏蔽效果。
在该领域的最新运用中，有一项研究事情是对采取大口径透风口进行送风并通过放置两块背靠背间隔很小的板来达到屏蔽效果这种方法进行评估。

EMC仿真也适用于系统级电磁兼容设计和优化，以便打算宽带屏蔽效果、宽带电磁辐射、3-D远场辐射图、用来仿照转台式丈量情形的柱形近场电磁辐射以及用以实现可视化，有助于确定电磁兼容热点位置的电流和电磁场分布。
范例的系统级EMC运用有：确保最大屏蔽效果的机壳设计，机壳内元件分布位置的EMC 效果评估，系统内外缆线耦合的打算以及缆线辐射效果的检测。
EMC仿真还有助于创造有害电磁波在机壳和子系统中的机理，如空腔谐振，穿过孔、插槽、接缝和其他机座开口处的电磁辐射，通过缆线的传导辐射，与散热器、其他元件的耦合，以及光学元件、显示器、 LED和其他安装在机座上的元件固有的寄生波导。

接头类型对EMC 的影响

你可以利用大略而快速建立的机壳模型来进行接缝配置方面的设计折衷。
图2对对接接头产生的辐射与重叠机壳接缝产生的辐射作出评估。
通过比较相对的屏蔽水平，工程师就可以根据机壳的EMC预算和实现特定设计配置的成本来做出决定。
仿真过程中增加内部元件仅仅对仿真韶光产生很小的影响，以是设计师可以方便地在引起插槽谐振间耦合、谐振腔模式以及与内部构造的交互浸染的真实环境下对接缝屏蔽效果进行评估。
插槽泄露的设计规则不适用于以上几个成分，会导致本钱高昂的过设计和欠设计。

EMC仿真的范例运用是评估透风板的屏蔽效果。
现在虽然有防止EMC泄露的透风板设计规则，但EMC仿真能精确地预测比较分外的构造，如具有大洞的背靠背通孔板、波导阵列等，并兼顾温度和本钱约束条件。
图3示出了具有圆孔或方孔的不同厚度透风板的屏蔽效果的打算结果。
该图展示了这些透风板厚度（左）和孔形状（右）的屏蔽效果。

散热器辐射的评估

图4所示的EMC 仿真运用可确定一个散热器的电磁辐射。
在这一大略模型中，一个就在该散热器下面的宽带旗子暗记源勉励散热器，显示了散热器与其所连接的IC之间的电磁耦合浸染。
该图示出了三种配置的辐射功率谱。
很明显，辐射电平与几何形状和频率有关。
虽然较小的散热器接地可降落频段低频部分的辐射，但会使频段中频部分的辐射增大。

办理电缆耦合问题

图5示出了用EMC仿真用来测定系统级电缆耦合的情形。
EMC 仿真工具的几何构造由一个19英寸机架内的三个网络集线器组成。
一条四线带状电缆将高下两个集线器中的印制电路板与中间集线器连接起来。
中央集线器含有该模型中的唯一EMC旗子暗记源。
EMC仿真工具打算出由中间集线器耦合到上部集线器印制电路板连接线的电流大小。
耦合电流在600MHz和800 MHz两个频率点显示出两个强谐振。
办理这类问题的一种常用方法是在受到影响的电缆上增强滤波功能，然后再借助仿真测定此影响。
下边的曲线表明，增加一个低通滤波器可减小谐振频率上耦合电流的幅度，但却不能将其肃清。
这是一种“应急的”方法，由于它没有从根本上办理问题。

EMC仿真可使电缆耦合运用的内在物理过程一览无余，找到问题的根源。
在600MHz测定中心集线器内部的电场分布，便可确定电场热点，再由电场热点确定在电缆附近产生高电场的空腔谐振。
用一块金属隔板把集成器隔离起来，就可有效抑制空腔谐振模式并肃清耦合（图6）。

用一块金属隔板把集成器隔离起来

您可用EMC仿真来确定和解决因温升而修正设计所引起的问题。
建立在企业存储系统的掌握器节点（基本上是奔驰双处理器打算机）模型上的这一技能便是一个例子。
在将这一设计制作成硬件之后，就用一些热管代替原来标准的奔驰芯片散热器，这些热管的占用面积与散热器相同，但高度高一些，所用散热片是水平的，而不是垂直的。

一个宽带仿真工具可打算出系统的电磁辐射（图7）。
在这一实例中，工程师之以是对由系统中一个120MHz振荡旗子暗记引起的辐射进行隔离感兴趣，乃是由于丈量结果表明存在一个问题。
因此，在打算宽带相应之后，工程师在后处理中利用间接勉励来提取对所需源旗子暗记的相应，从而产生图中的离散谐波。
这一辐射在120MHz振荡频率的主谐波频率上增加约40dB。
很显然，这样一种不会产生有害的热设计修正却会对系统EMC顺应性产生如此大而吓人的影响。

创造问题根源后，您就可以探索经济实惠的办理方案。
在本例中，将导热管顶部与机壳盖之间连接一根地线肃清容性耦合路径，便是一种低本钱的极好方法。
详细的做法是，将一小块涂有导电胶的防电磁滋扰垫片贴于热管顶部散热片上，这样与机壳顶盖打仗就会挤压垫片，形成一根接地线。
图8示出了电磁辐射图，个中包括热管接地后的结果。
这种方法使得辐射与原来的情形实际上相同，从而在对辐射不产生负面影响的情形下改进了热性能。

在设计过程中尽早采取EMC仿真，可在制造原型前研究和预测关键的EMC征象，从而在知足EMC哀求和提高屏蔽效果两方面优化电子产品设计。
与先制造原型，再从EMC角度优化产品的做法比较，当代仿真工具可使设计师评估更多的设计，达到前所未有的水平。
此外，值得把稳的是，你不可以孤立地进行EMC 设计，由于由于EMC缘故原由而进行设计修正常常会影响其他设计问题，如热管理。
因此，故意义的是，EMC 仿真工具可使设计师综合考虑EMC 和其他主要设计约束条件，以使系统总本钱和系统性能最佳。

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