在產(chǎn)品設(shè)計階段，為了盡快解決 EMC問題，需要進行基于理論分析和協(xié)同設(shè)計的 EMC仿真。使用 AnsoftSIwave軟件，仿真分析了控制板開發(fā)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(jù)仿真結(jié)果，對 控制板的設(shè)計進行了優(yōu)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(shè)備/系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中按要求運作，并且對環(huán)境中的任何其他設(shè)備不產(chǎn)生不可容忍的電磁干擾的能力。智能型電器是傳統(tǒng)電器與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前以智能電器為基礎(chǔ)的大型電力設(shè)備的在線監(jiān)測對電力系統(tǒng)的安全運行起著舉足輕重的作用。因為智能電器經(jīng)常在高電壓、大電流的環(huán)境下工作，所以智能電器的電磁兼容性問題是與被保護監(jiān)測設(shè)備、系統(tǒng)處于同一電磁空間內(nèi)，以微機為核心的監(jiān)控單元必然受到來自電力系統(tǒng)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(guān)系到智能電器的可靠工作，進而影響到電力系統(tǒng)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(chǎn)品設(shè)計過程中，不能針對 EMC問題系統(tǒng)地考慮元件性能的選擇和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整合；一個 EMC問題的解決常常需要反復(fù)試驗和修改，而且常常無法精確定位 EMC問題出現(xiàn)的范圍，無法對 EMC問題作出科學的預(yù)測。由于設(shè)計時存在著一定的盲目性，設(shè)計過多、設(shè)計不充分等問題，從而增加了成本，延長了開發(fā)周期。

       在 EMC設(shè)計的初期，對 EMC的技術(shù)要求進行了最經(jīng)濟、有效的設(shè)計，從世界范圍來看， EMC仿真已成為電子設(shè)備設(shè)計中不可缺少的一步，通過仿真可以在設(shè)備投入生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)問題、解決電磁兼容問題，從而節(jié)省因電磁兼容不達標而反復(fù)修改設(shè)計的成本。利用 SIwave仿真軟件，在智能電器控制板設(shè)計階段，通過設(shè)計-模擬-優(yōu)化-模擬的方法，較好地解決了產(chǎn)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(tǒng)法和數(shù)值分析法。該方法通過對幾何模型進行簡化和假設(shè)，以獲得近似解。該專家系統(tǒng)不能準確地分析場，它根據(jù)自己的數(shù)據(jù)庫，估計相應(yīng)的參數(shù)。用數(shù)值方法求解具有相應(yīng)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(yīng)用于工程領(lǐng)域。

         EMC數(shù)值模擬過程也就是電磁場問題的數(shù)值計算過程。解決電磁場邊值問題時，若數(shù)學模型為齊次或非齊次偏微分方程，則只有少量簡單媒質(zhì)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(shù)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(fā)展，利用計算機進行多維數(shù)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(shù)被廣泛用于解決導(dǎo)行波、天線和散射等實際電磁問題的數(shù)值計算。迄今為止，電磁場的數(shù)值分析方法在解決有關(guān)電磁兼容性問題上發(fā)揮了很大的作用，80%的電磁兼容問題可以在設(shè)計階段通過仿真加以解決。數(shù)字分析法是將連續(xù)變量函數(shù)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(shù)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(nèi)隨時間變化的電磁場，可能需要無限的數(shù)據(jù)。

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

      當前計算電磁場的數(shù)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(chǔ)。目前商業(yè)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(yōu)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(shè)計，實現(xiàn)信號完整性，減少研發(fā)費用，縮短研發(fā)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(shè)計、各類高頻濾波器設(shè)計、高頻天線及波導(dǎo)設(shè)計、傳輸線設(shè)計(包括微帶、帶狀、同軸電纜等)、信號完整性設(shè)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(xù)；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(yīng)；本振模以及 S、 Z、 Y參數(shù)等頻率現(xiàn)象。該方法能實現(xiàn)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(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，其諧振模式依賴于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸以及層狀介質(zhì)等，而諧振模式的模擬將會導(dǎo)致嚴重的開關(guān)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(jié)構(gòu)的諧振頻率，用于真實、復(fù)雜的 PCB板或 IC封裝。在120 MHz~1.2 GHz的頻率范圍內(nèi)，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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(jié)果表明，在諧振較嚴重的區(qū)域中，將21個去耦電容放在同一頻率范圍內(nèi)，如圖4所示，重新計算結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(jié)論

        利用仿真的方法在電子設(shè)備設(shè)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(yōu)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(tǒng)較為復(fù)雜，開關(guān)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(guān)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(chǔ)上，電源完整性的仿真是該系統(tǒng) EMI/EMC分析的重點。

模擬分為兩個階段：優(yōu)化前模擬和優(yōu)化后模擬。因為去耦電容能夠改變共振頻率，所以優(yōu)化的主要方法是在所需的區(qū)域內(nèi)合理放置去耦電容。模擬結(jié)果表明，通過優(yōu)化設(shè)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。