Juniper Networks公司采用电磁仿真技术在没有增加任何制造成本的情况下充分改善了一种产品的电磁兼容(EMC)性能。该产品原型原来仅刚刚满足EMC参数要求,且测试结果没能为工程人员提供足够的信息来确定如何改善其性能。因此工程人员对该产品的主要元件进行了模拟,包括两个高速逻辑板及连接器,他们通过专门设计的新软件来解决了EMC问题。
无需用一个新原型来评估每个设计的变化,他们通过改变模型就可评估不同的设计参数变化时对辐射的影响。由此他们发现了一种几乎是“零成本”的设计方法,即通过将电源层从印制板(PCB)顶部前沿后撤半英寸后,辐射就能大大减少,从而不用再考虑EMC问题。“这种应用证明了仿真能在开发期间提供一种非常有效的解决EMC的方法,所以我们已开始将该方法作为一种常规设计手段。”Juniper Networks的EMC工程师John Lockwood表示。
工程人员设计的EMC原型由两块电路板和一个PCB板组成。这两块电路板与1.5英寸厚的机械支架连接,PCB板则块通过卡边缘连接器与两块主板连接。测试结果显示该原型在GHz频段的辐射刚刚能满足EMC性能要求,但考虑到制造的多样性可能会导致超标废品和返工。为解决这个问题,工程人员对原型进行了实验,但每一次改变在建模上都受到耗时和高成本的制约,这个方法的另一个限制是只能对那些可以放置环形探测器的有限位置的辐射进行测试。“正当我们正陷于上述困境时,我们了解到了FLO/EMC,”Lockwood表示,“我们向开发人员说明了我们的困难,他们同意就这个问题免费试用该软件,由于我们时间紧迫,就立刻就开始了应用。”
Flomerics FLO/EMC为仿真电子设备内部或周围的电磁感应提供了一个分析环境,对于棘手的设计问题它能快速给出解决方案。FLO/EMC可使EMC设计问题在设计周期初期先于物理原型得到确定。该软件不同于通用的电磁仿真软件,它采用Transmission Line Matrix (TLM, 传输线矩阵)方法来解麦克斯韦方程,可在对EMC仿真发挥出最大优势。首先TLM方法实现了在一个仿真周期中,有用信号的所有频率通过一次运算就可获得系统的全部宽带响应,它对EMC分析的贡献在于可能的响应和辐射变化的频谱范围很宽。其次,TLM方法建立了等效传输线矩阵,并可以直接解出了它们的电压和电流,因此与通过分步计算解电场和磁场的传统方法相比,该软件可节省内存和CPU的时间。
基于电磁兼容的仿真设计
Lockwood开始使用FLO/EMC软件时,首先对原设计建立了一个EMC模型,“我发现开始建模阶段你特别需要注意在细节和仿真时间之间做好折中,”Lockwood表示,“如果要对设计的每一处细节都仿真,那么仿真所建立的模型就需要花上好几天的时间,这样太慢对设计进程没有实质性的改善,所以我们要尽可能去除多的细节,只要保留主要影响EMC性能的特征来建立一个精确的模型。通过反复试验我不用建立PCB板上单个元件或电介质层的模型就能够精确地仿真产品的EMC性能,我也尝试去掉两块电路板之间的部分机械支架,但发现必须使用它们才能保持精度。最终我们花了两个小时建立了模型并进行了仿真。它与我们的原型非常吻合,这个模型不仅精确地预知了电磁辐射的频率和位置,而且使我们了解到设计变化和灵敏度方面的关系,例如,我们在实验中发现,若对部分支架进行绝缘和隔离,噪声电平就会下降,而仿真结果与此一致。”
通过有效的模型,Lockwood开始改变不同的设计参数,以确定哪些参数对EMC的影响最大。这样他可以很快地修改模型并仿真新的设计,而且仿真结果又提供了远多于原型测试的信息,如产品应用领域内的完整电磁场图等。“我们有一点困惑的是为什么支架与地隔离可降低噪声,”Lockwood说,“为此我们开始增加接地点的数量并加宽接地的回路,我们发现噪声源是主板上的IC,它们从顶板的电源中获取了电流,我们还发现支架除了有卡边缘连接器回路外还有额外的对地回路。子卡上的时钟应比主板上的时钟高许多倍。隔离支架使电流封闭在一个小的环路,由于机械支架不可缺少,所以采用尼龙进行隔离可保证耐用,我们还将连接器内卡的六条地线合为一条加宽的地线。”
几乎是“零成本”的解决方案
“该仿真还可提供测试范围内极易被忽略掉的屏蔽层缝隙中的能量场图,”Lockwood接着表示,“通过物理实验我们是决不可能得到如此细微的分析,这又恰恰是解决问题的关键,仿真可提供测试范围内不同颜色标记的三维图形,较环形探测器的测试结果明了许多。它还使我们想到上层卡的电源层并非一定要置于板子的末端,传统PCB板的地和电源层和板子边缘的距离都在0.05英寸内,但多数情况下并没有要求这样做。在接下来改进后的一块板子中我们将电源层和板子边缘的距离增加到半英寸,这就将电磁干扰(EMI)源远离了屏蔽的薄弱点,性能得以提高了许多,使设计耦合更紧密,噪声电平也从刚好满足需求到远远超过需求。使用EMC模型进行仿真设计,使我们取得了显著效果,因此我们毫不犹豫购买了该软件,并用它解决了一些其它问题,同样都得到了类似的结果。”
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