在產品設計階段，為了盡快解決 EMC問題，需要進行基于理論分析和協同設計的 EMC仿真。使用 AnsoftSIwave軟件，仿真分析了控制板開發中中高頻諧波干擾對智能電器控制板電磁兼容的影響。根據仿真結果，對 控制板的設計進行了優化。通過試驗驗證，有效地解決了控制板 EMC問題。

          EMC反映一種電子或電氣設備/系統在其電磁環境中按要求運作，并且對環境中的任何其他設備不產生不可容忍的電磁干擾的能力。智能型電器是傳統電器與電子技術相結合的產物，目前以智能電器為基礎的大型電力設備的在線監測對電力系統的安全運行起著舉足輕重的作用。因為智能電器經常在高電壓、大電流的環境下工作，所以智能電器的電磁兼容性問題是與被保護監測設備、系統處于同一電磁空間內，以微機為核心的監控單元必然受到來自電力系統的不同能量、不同頻率的電磁干擾，因此智能電器的電磁兼容問題集中在其控制單元上。

         智能型電器的電磁兼容性能直接關系到智能電器的可靠工作，進而影響到電力系統的安全運行。相對于智能電器的功能和原理的研究， EMC問題的研究顯得十分不足：在產品設計過程中，不能針對 EMC問題系統地考慮元件性能的選擇和系統結構的整合；一個 EMC問題的解決常常需要反復試驗和修改，而且常常無法精確定位 EMC問題出現的范圍，無法對 EMC問題作出科學的預測。由于設計時存在著一定的盲目性，設計過多、設計不充分等問題，從而增加了成本，延長了開發周期。

       在 EMC設計的初期，對 EMC的技術要求進行了最經濟、有效的設計，從世界范圍來看， EMC仿真已成為電子設備設計中不可缺少的一步，通過仿真可以在設備投入生產前發現問題、解決電磁兼容問題，從而節省因電磁兼容不達標而反復修改設計的成本。利用 SIwave仿真軟件，在智能電器控制板設計階段，通過設計-模擬-優化-模擬的方法，較好地解決了產品成型前的 EMC問題。

電磁兼容仿真的基本方法

          電磁問題的計算方法大致可以分為三種：理論分析法、專家系統法和數值分析法。該方法通過對幾何模型進行簡化和假設，以獲得近似解。該專家系統不能準確地分析場，它根據自己的數據庫，估計相應的參數。用數值方法求解具有相應邊界約束條件的場方程(Maxwell方程組)，可以精確地分析場。該方法因其計算精度高而被廣泛應用于工程領域。

         EMC數值模擬過程也就是電磁場問題的數值計算過程。解決電磁場邊值問題時，若數學模型為齊次或非齊次偏微分方程，則只有少量簡單媒質和邊界條件可用解析法求得精確解。由于電磁散射和繞射問題的數學模型是積分方程，求解過程的計算量很大，因此，在以往有限的計算機存儲器容量和運算速度的條件下，求得解析解是相當困難的。由于高速、大容量電子計算機的快速發展，利用計算機進行多維數值積分、高階矩陣求逆等操作已成為可能。從二十世紀六十年代中期首先，計算機技術被廣泛用于解決導行波、天線和散射等實際電磁問題的數值計算。迄今為止，電磁場的數值分析方法在解決有關電磁兼容性問題上發揮了很大的作用，80%的電磁兼容問題可以在設計階段通過仿真加以解決。數字分析法是將連續變量函數離散化，將微分方程化為差分方程，將積分方程化為有限元和形式，從而建立收斂的代數方程組，再用計算機逐步求解。要準確地分析某一空間范圍內隨時間變化的電磁場，可能需要無限的數據。

然而，一方面，由于數字計算機可處理數據的字長和存儲容量限制，使得它不能儲存太多的數據；另一方面，運算速度的限制，使之在有限的時間內求出對象的精確解很難，因此在實際應用中必須進行一些近似和簡化。

      當前計算電磁場的數值方法有變分法、時域有限差分法、矩量法、有限元法、邊界元法等，其中變分法是其基礎。目前商業軟件主要有   CST MicrowaveStudio、 ANSYS (FEKO)、 FLO/EMC、EMC2000、 IE、SANSOFT等。

仿真工具的選擇

      EMC仿真軟件能為我們提供非常高效的高頻、高速電磁仿真工具，集高速電路建模、仿真、優化為一體，以模擬實驗代替實驗，可快速幫助工程師完成高速電路 EMC設計，實現信號完整性，減少研發費用，縮短研發周期。

        當前，國際上商用的 EMC仿真軟件有很多種，主要用于高速控制板電路設計、各類高頻濾波器設計、高頻天線及波導設計、傳輸線設計(包括微帶、帶狀、同軸電纜等)、信號完整性設計和電磁分析等。另外，不同的仿真軟件對模型的要求也有所不同。

本文針對智能電氣控制板的特點，選取了電場法全波分析工具 AnsoftSIwave為仿真工具，是一種精確的整板級電磁場全波分析工具。在電路板上放置去耦電容，改變信號層或隔離電源板引入的阻抗不連續；信號線與供電板之間存在噪聲耦合、傳輸延遲、過沖和下沖、反射和振鈴等時域效應；本振模以及 S、 Z、 Y參數等頻率現象。該方法能實現高級的二/三維圖形顯示，輸出 Spice等效電路模型進行 Spice模擬。

         SIwave提供一個無縫集成的設計流程，可以直接輸入 SIwave中進行分析，例如 CadenAllegro、 APD、ZukenCR-5000等標準布板工具。

仿真結果及分析

          為減少電源/地面彈噪聲和 EMI輻射，智能電器控制板采用了多層 PCB板結構，這樣能使電源平面與地平面耦合得更緊密，并能嚴格控制阻抗，防止信號回路問題。然而，多層板結構會引起嚴重的電源完整性問題，地層與鄰近電源層形成波導結構，其諧振模式依賴于結構的幾何形狀、尺寸以及層狀介質等，而諧振模式的模擬將會導致嚴重的開關噪聲，因此，諧振模式的模擬必須提前進行。

        利用 SIwave軟件對控制板 PCB進行了仿真分析。SIwave能模擬整個電源頻率和地結構的諧振頻率，用于真實、復雜的 PCB板或 IC封裝。在120 MHz~1.2 GHz的頻率范圍內，控制板上共有10種諧振模式，如圖1所示。

每種諧振方式下，整個板的電壓分布可以用三維圖形來表示，對比發現2、8時諧振最為嚴重，電壓分布如圖2和圖3所示。

控制器應盡量避免工作在諧振頻率點，如不能避開，可通過在 PCB板上放置去耦電容來改變諧振頻率。

結果表明，在諧振較嚴重的區域中，將21個去耦電容放在同一頻率范圍內，如圖4所示，重新計算結果表明，在120 MHz~1.2 GHz之間僅存在一次諧振，如圖5所示，其電壓分布如圖6所示。研究發現，去耦電容可以改變共振頻率，從而使控制板的工作頻率遠離諧振頻率，從而提高 EMC的性能。

結論

        利用仿真的方法在電子設備設計之初解決EMC問題具有重要意義。本文介紹了EMC仿真的基本方法，并借助優秀的電磁仿真軟件SIwave對智能電器控制板進行了EMC仿真分析。

        本實用新型的特點是電源系統較為復雜，開關電源可提供三種不同特性的電源，高速 控制板的信號完整性、電源完整性與 EMC有直接關系，因此，良好的電源完整性有利于信號完整性和電磁兼容性，在此基礎上，電源完整性的仿真是該系統 EMI/EMC分析的重點。

模擬分為兩個階段：優化前模擬和優化后模擬。因為去耦電容能夠改變共振頻率，所以優化的主要方法是在所需的區域內合理放置去耦電容。模擬結果表明，通過優化設計，可以顯著降低 控制板表面電壓，抑制輻射，從而提高 EMC性能。