基于有限元法的电机软起动控制模块PCB电磁兼容设计与仿真

赵 晨，吴明赞，宗慧雯

(南京理工大学自动化学院，南京210094)

基于有限元法的电机软起动控制模块PCB电磁兼容设计与仿真

赵 晨，吴明赞*，宗慧雯

(南京理工大学自动化学院，南京210094)

电机软起动控制模块PCB板载DSP芯片并运行于300 MHz以内的高频和2 ns以内的信号边沿速率。为解决由于高边沿速率带来的电磁兼容性问题，应用有限元法分别对自动布线和电磁兼容手工布线后的软启动控制模块PCB进行仿真，得到300 MHz、900 MHz和1.5 GHz下PCB的近场辐射值。仿真表明，PCB手工布线后其电场和磁场近场辐射在各频点下的最大值分别有42%～81%和41%～84%的改善。说明通过电磁兼容手工布线提高了PCB的电磁兼容性。

电磁兼容;电机软起动器;有限元;DSP芯片;PCB

新型电力电子软起动装置采用控制芯片对晶闸管等功率电力电子器件进行控制，起动效果较好，但是与传统软起动方式相比其组成元件更容易产生或遭受到电磁骚扰。电磁骚扰既有频率范围，又有幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对周边电子器件造成干扰［1-2］。电机软起动控制模块PCB作为整个软起动器的控制核心，直接影响着软起动器的控制效果，需要加以电磁兼容优化以提高电磁兼容性能。

1 电机软起动控制模块PCB及其自动布线图

所提及的电机软起动控制模块的结构如图1所示，电机软起动控制模块是电机软起动的核心控制单元，担任着对电机软起动器其他部分的控制、检测和通信功能。其PCB主电路由DSP芯片、Flash存储芯片、时钟电路、电源电路、通信电路和光电隔离电路等构成。软起动控制模块接收各检测模块的检测值，经过计算后控制输出控制功率开关的PWM波，达到软起动的目的。文章中电机软起动控制模块PCB自动布线结果如图2所示。

2 电机软起动控制模块PCB电磁兼容理论分析与手工布线设计

2.1 电机软起动控制模块电磁兼容分析

电磁兼容(Electromagnetic Compatibility)主要考虑3个层级:系统级、PCB级和芯片级。根据文章实际，将主要关注PCB级电机软起动控制模块的电磁兼容情况，PCB级主要包括PCB走线、板载电子元件和电子设备之间以及内部的电磁场大小以及耦合情况［3］。

图1 电机软起动控制模块PCB结构图

图2 自动布线后的电机软起动控制模块PCB

图3 PCB上信号的频谱特性

在电机软起动控制模块PCB上，最主要的干扰信号是芯片发出的对开关管的控制PWM脉冲与高速芯片间的通信信号和时钟信号［4］。为确定线路的干扰机制，要对线路上信号的频谱特性进行分析。通常标准的脉冲信号波形为等腰梯形信号，其傅里叶展开式有:

如果设f=n/T，可得其信号频谱特征如下:

可以看出当考虑第1个转折点十倍频点的频谱幅值时，在第2个区间中，信号幅值将降低20 dB，第3个区间将降低40 dB。则辐射带宽与数字信号上升和下降沿有关:

DSP边沿速率时间小于2 ns，由式(3)可得fmax约为160 MHz，式(4)可知fr至少会产生直至1.6 GHz的辐射带宽［5］。

2.2 电机软起动控制模块PCB的EMC手工布线

(1)规划控制模块PCB板时，应将强干扰器件和敏感元件分开，将各芯片之间的高速信号线路尽量缩短，并尽量采取直线连接。

(2)当PCB的工作信号频率较高超过10 MHz时，将使接地阻抗变得很大，应采用就近多点接地、加粗和缩短接地线，以减少接地电平的变化和浮动。

(3)高速线路印制导线拐弯处应选取圆弧形拐角，并尽量避免直角、夹角在高速线路中的出现，使线路阻抗连续。信号线不能靠近PCB边缘，避免由于阻抗变化产生辐射场。

(4)避免当电缆从PCB两侧引出时，电缆出现形成共模发射天线情况，导致电缆在两侧时辐射急剧增大。PCB上的I/O线应该避免相邻和平行，避免产生耦合［6-7］。

将控制模块PCB进行电磁兼容手工布线调整后，并将敏感信号线进行适当移动，减少强场强区的走线密度后，得到调整后的PCB。手工布线后的PCB如图4所示。

图4 电磁兼容手工布线后的电机软起动控制模块PCB

3 电机软起动控制模块PCB电磁兼容仿真分析

3.1 有限元仿真软件介绍

文章采用的Ansoft Designer软件，是一款专业的电磁场分析软件。该软件将高频电路系统、版图和电磁场仿真工具集成至同一视窗环境下，并在求解的过程中基于高精度的物理原型。采用有限元数值算法，把有限元网格作为离散单元，然后利用自适应网格剖分技术和矩阵快速算法，实现快速精确地进行电磁场求解。

3.2 PCB自动布线的近场仿真分析

文章是关于电机软起动控制模块的PCB级电磁兼容性研究，而只有在30 MHz以上时，才表现为辐射干扰［8］。故文章根据前文分析，在该PCB的辐射带宽0到1.6 GHz中选取3个仿真频点，设300 MHz为DSP工作时信号的基波频率，鉴于篇幅所限，选取奇数倍的3倍和5倍基波频率做为其他两个谐波频点。

在Ansoft Designer软件中新建一个工程文件，并插入EM Design子工程文件。将PCB文件(.dxf文件)导入EM Design子工程中。设定仿真求解器为Planar EM solution，添加300 MHz、900 MHz和 1.5 GHz 3个仿真频点，并根据板上线路实际电压幅值添加5个带状间隙激励源。通过仿真，得到近场仿真结果如图5、图6所示。

通过观察以上3个频点的电场和磁场仿真结果，可知:

(1)随着频率的增加电场、磁场的近场强度大小有明显的增加。

(2)在不同的频点，近场强度的最大值出现的位置会发生变化，且会随着频率的增加出现新的高场强位置。

(3)在有较长布线的位置，近场强度会因为天线效应导致明显的增加。

(4)在布线较为密集的区域，场强也相比别的区域要高。

图5 自动布线情况下300 MHz、900 MHz和1.5 GHz电场近场分布

图6 自动布线情况下300 MHz、900 MHz和1.5 GHz磁场近场分布

3.3 布线经电磁兼容手工布线后仿真分析

将手工布线后的PCB版图导入软件，并采用相同的仿真参数设置，得到仿真结果如图7和图8所示。

图7 电磁兼容手工布线后300 MHz、900 MHz和1.5 GHz电场近场分布

图8 电磁兼容手工布线后300 MHz、900 MHz和1.5 GHz磁场近场分布

通过仿真，可以看出经过手工布线调整后PCB的强场强区发生了小范围的偏移，且其强度有了一定程度的降低，这有利于将强场强区域规避开敏感元件，减少电磁干扰。

4 仿真结果比较分析

前后两个仿真过程，其仿真结果中峰值大小的比较如图9、图10所示。

图9 电场场强前后仿真比较

图10 磁场场强前后仿真比较

根据文章中前后的仿真比较分析可知，自动布线时的PCB磁场近场与电场近场的值均较大，产生的电磁骚扰较严重，不利于PCB乃至整个系统的电磁兼容性。

而经过电磁兼容手工布线调整后的PCB，其近场场强得到降低:300 MHz时电场和磁场近场最大值分别有42%和80%的减少，900 MHz时电场和磁场近场最大值分别有56%和41%的减少，1.5 GHz时电场和磁场近场最大值分别有81%和84%的减少。近场强场强点由于减少了高速线路的布线密度和走线路径，也发生了偏移，使原来处于强场强区域中的敏感元件偏离强近场干扰，初步达到了改善电磁兼容性的要求，在一定程度上优化了PCB的电磁兼容性，提高了产品的稳定性。

5 结束语

文章采用Ansoft Designer软件通过有限元的方法对软起动控制模块PCB电磁兼容性进行分析。并通过对比自动布线与电磁兼容手工布线前后的近场场强值大小、分布情况，得出了经过电磁兼容手工布线后的PCB具有较好的电磁兼容性的结论。但文章只是进行了关于PCB的近场电场和磁场数值分析，有关PCB电磁兼容的其他方面如电磁屏蔽效能、EMI滤波等还未考虑，故日后将在文章的基础上继续进行探讨。

［1］潘亚培，吴明赞，李竹.基于有限元法的高频开关电源PCB电磁兼容设计与仿真［J］.电子器件，2012，35(4):417-420.

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［3］王萍.浅谈PCB电磁兼容设计［J］.电子质量，2010，(10):73-75.

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［5］区健昌.电子设备的电磁兼容性设计理论与实践［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［6］钱振宇，史建华.开关电源的电磁兼容性设计、测试和典型案例［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［7］刘坤，高迎慧，严萍.高频高压电源的电磁兼容设计方法综述［J］.电源技术，2011，35(10):1325-1328.

［8］邵小桃.电磁兼容与PCB设计［M］.北京:清华大学出版社，2009.

Design and Simulation of EMC for PCB of Motor Soft Starter Based on FEM

ZHAO Chen，WU Mingzan*，ZONGHuiwen
(School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

The DSP chip on themotor soft starter controlmodule PCB is working above the frequency of 300 MHz and under the edge rate of 2 ns.Using the FEM to get the near-field simulation results before and after the EMC manual layout of themotor soft stater controlmodule PCB under the frequency of 300 MHz and 900 MHz and 1.5 GHz to solve the EMC problem coursed by high edge rate.Simulation results show that themaxim value of the Electric and magnetic near field radiation decrease by 42%to 81%and 41%to 84%respectively after the EMCmanual layout is done.It indicates that themanual layout improves the EMC of PCB.

EMC;motor soft starter;FEM;DSP chip;PCB

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.006

TM 301.2 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0022-04

2013-04-16修改日期:2013-05-17

EEACC:5100

赵 晨(1989-)，男，电气工程专业硕士研究生，研究方向为电力电子装置的理论与实践。