基于控制器主板设计的电磁兼容仿真计算

李 睿，官小莎

应用研究

基于控制器主板设计的电磁兼容仿真计算

李 睿1，官小莎2

(1. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064；2. 中国人民解放军91458部队，三亚 572021)

本文介绍了一种利用商用电磁兼容仿真软件SIwave对Cadence所绘制的PCB板进行电磁兼容仿真的方法。

电磁兼容 PCB设计 Matlab仿真

0 引言

电磁兼容问题是硬件工作者在设计中需要优先考虑的问题。借由仿真软件可以提前发现硬件设计中可能存在的电磁兼容问题。目前的电磁兼容仿真软件主要有ANSYS，借由该仿真软件对已有的PCB设计进行电磁兼容仿真，可以判断出设计中的问题并加以修改。本文基于一种控制器PCB板的布板过程，经过ANSYS仿真逐步修改设计，以通过样机电磁兼容测试。

1 控制板电磁兼容仿真

电磁兼容仿真主要包含5个模块，分别是PCB输出、仿真模型导入模块、谐振仿真模块、电源/地阻抗模块、近远场辐射分析模块。这5个模块层层递进，相辅相承，关系图如下图1所示。

1.1 PCB输出

本模块为PCB绘制软件输出层文件和元件布局文件供SIwave处理，是后续电磁兼容仿真的基础。

图1 仿真结构图

此模块为软件提供PCB板的基础数据，软件运行时所需要的数据来自此向导的输出。同时，另外进行电磁兼容仿真时也必须对新的PCB绘制完成后，进行相应操作，以输出*.anf与*.cmp文件。

本PCB模型输出模块的输出是数据输出的基本操作程序，包括新建项目的菜单栏（包括横向和纵向两个部分）、工具栏、操作栏、显示窗口、控制窗口。不同的部分有不同的功能，涉及到本软件需要调用的数据，具体的输出项如表1所示。

表1 输出项

1.2 仿真导入

该程序模块的主要功能是建立计算模型。将PCB文件导入，进行Validation Check检查，叠层结构设置，无源RLC修正等配置。通过检查和配置操作，实现对目标仿真模型的初步建立。该程序是在Ansys SIwave平台上搭建的。导入平台后的计算模型如图2所示

图2 计算模型

1.3 谐振仿真

多层印制板设计中，电源层和接地层之间是传输介质层。传输介质层一般使用FR4，而电源平面和地平面通常用金属导体铺覆。如图3所示。

图3 PCB板电源/地平面结构图

图4 PCB板谐振及边缘效应

电源平面可以拆分成若干电感和电容构成的网络，如图4所示。这种特殊的结构在一定的频率下就会发生谐振现象，从而影响电源层的阻抗。同时存在边缘效应，即引起边缘反射和边缘辐射现象。

根据谐振原理分析，在PCB设计时，需要对PCB进行谐振仿真分析。本控制板的谐振仿真结果见图5。

1.4 电源/地阻抗仿真

为了有效降低电源到板上的芯片及去耦电容路径上的电感，PCB板常常采用电源和地平面整片进行铺铜处理的方法：即在中间层将电源平面及对应的地平面用铜铺设到用电器件处，让用电器件就近取电。一旦平面阻抗发生变化，会影响整体的供电系统稳定。PCB 板上的电源和地层相当于给整个电路板提供了一个电源分配系统（PDN），而这个供电系统可以用关系式表示为：

阻抗分析仿真结果主要以图片展示仿真结果。见图6

图6 电源/地仿真结果

图中，纵坐标为电源/地平面的阻抗值，横坐标为频率。由仿真结果可以看出，控制板的电源/地平面的阻抗基本在1 Ω附近振荡，在几个频点处出现了峰值，当峰值超过了电源分配系统的目标阻抗，就可能影响系统的电源完整性，导致电磁辐射问题。

因此，在进行PCB设计时，应该对这些特定的频点具备一定的敏感性，对于信号完整性要求较高的器件，在布线过程中应尽量避免其工作频率与易产生阻抗峰值的谐振频率相同。在本控制板的设计中，参照电源/地阻抗仿真结果对走线进行修改，有效降低了电源系统等效阻抗的震荡峰值。

图7 修改电路后电源/地仿真结果

根据图6和图7可以看出，在某些频点处出现峰值时，会导致电压波动较大。

通过以上分析和仿真结果可知，针对特定的 PCB板，可以通过仿真计算的方法提前预测板上各个部位的电源/地平面阻抗，为合理布线以及器件布局提供了参考，同时也为减小谐振频点的阻抗，合理地运用去耦电容去耦提供了对照。

经过电路的修改，在电源/地之间增加去耦电容后，控制板在相应频点处，电源/地阻抗情况得到很好改善。因此，通过电源/地阻抗仿真分析可以有效改善PCB板的电磁兼容特性。

1.5 近场/远场电磁辐射

PCB 板的电磁辐射可能会造成严重的EMI问题，使EMC检测不能通过，因此针对PCB板的整板辐射仿真分析十分重要，通过提前预知板上的辐射位置及辐射量值信息，采取相应的措施来抑制其辐射。

从信号特征的角度来看，周期信号的电路在PCB板上易产生较强的辐射，这是因为在信号的频谱中，周期信号的频谱是离散的，而随机信号的频谱是连续的，对于周期信号的频谱而言，有大量的信号点集中在某几个特定的频点上，而随机信号的频谱则较为分散，频带较宽。因此，周期信号的能量主要集中在了个别频点上，造成的辐射干扰也相对最强。

通过ANSYS软件对控制板进行仿真，针对控制板电路的电磁辐射进行测量，可以观察到产生大量辐射的点均为单一的频点，这些频点对应了某个频点的基波及其各次谐波成分。在仿真中对PCB整板进行通电正常工作测试，记录下此时的辐射强度波形图，与控制板仅对时钟信号通电的工况下的辐射强度波形进行对比，可以看出，虽然整板通电时，PCB板的工作辐射强度频谱分布更宽，但是辐射强度却和进时钟通电时没有太大的区别，如图8所示。

图8 PCB板整板通电（上）与仅时钟信号通电（下）辐射对比

由仿真结果可知：PCB板上最容易产生EMI辐射的电路应该是周期信号电路，其中时钟信号对于EMI辐射的影响最为明显，在布线时应该重点关注时钟信号的布线及周边器件，采取一定的布线措施可以明显降低整板EMI辐射。

根据远场近场仿真分析的结果，对控制板的布局进行修改后，仿真的结果见图9

图9 近场仿真结果

2 结论

在控制板的PCB设计过程中，使用ANSYS软件对控制板进行仿真，可以提前发现设计过程中电磁兼容无法通过的问题。通过仿真结果对PCB的布局进行修改，使其满足电磁兼容试验的要求，相对于EMC试验现场对硬件进行修改，具有节省时间、问题点清晰，修改方便等优点。对控制板进行修改后，已经成功通过样机的电磁兼容试验。

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[2] 刘恩博, 薄元窈, 王媛. 基于SIwave的设备级辐射发射仿真分析[J]. 安全与电磁兼容, 2020(01): 79-83.

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[4] 朱俊颖. 开关电源PCB电磁干扰的仿真与实验分析[D]. 成都: 电子科技大学, 2020.

Electromagnetic compatibility simulation based on the controller board design

Li Rui1, Guan Xiaosha2

(1. Wuhan Chang Hai Electric Technology Development Co. Ltd, Wuhan 430064, China; 2. PLA-91458, Sanya 572021, China)

TN03

A

1003-4862(2022)04-0007-03

2022-02-15

李睿(1994-)，男，助理工程师。研究方向：开关电器。E-mail：1irui@whchdq.com.cn