原创 FLO/EMC电磁兼容仿真分析软件

为什么要重视电磁兼容性（EMC）的分析

众所周知，仅在几年前，EMC问题在整个设计流程中还只是个次要的问题。而今天，EMC设计问题扩展到传统设计流程的各个阶段。市场开拓者们要将大量资金和数周时间花费在屏蔽室，以谋求能顺利通过电磁兼容性测试。
这种现象不是偶然的，我们知道：
·EMI已经成为一个很严重的且在日益恶化的环境污染源
·越来越多电器设备的投入使用
·IC时钟频率的越来越高
·辐射源辐射功率的增大
·抗干扰性的减弱
·无线通信的发展
诸如此类的原因导致了我们为了使同一环境中各种设备都能正常工作又互不干扰变得越来越困难，同时这种电磁环境对人类及生物也产生了越来越大的危害，解决电磁兼容性问题也变得越来越紧迫。
拿一个简单的例子，对于一台pc电脑来说，在EMC方面需要满足以下标准：

1．辐射性能方面（Emissions）
a. EN 61000-3-2(Harmonics)
b. EN 61000-3-3(Voltage Fluctuations and Flicker)
c. EN 55022(Conducted Emissions)
d. EN 55022(Radiated Emissions)

2．抗干扰性能标准EN55024（Immunity）
a. EN 61000-4-2(Electrostatic Discharge)
b. EN 61000-4-3(Radiated Electric Field)
c. EN 61000-4-4(Fast Transients)
d. EN 61000-4-5(High Energy Surges)
e. EN 61000-4-6(Conducted RF)
f. EN 61000-4-8(Radiated Magnetic Field)
g. EN 61000-4-11(Voltage Dips and Interrupts)
而通常来说，整个测试的代价是需要4000美元和3天的时间。
在20世纪90年代前期，国内企业的产品在出口欧美等国市场时，必须出具电磁兼容合格报告才能获得市场准入，但是由于企业往往在产品设计和研发阶段没有考虑相关问题或是不了解国外的电磁兼容技术法规要求而导致不能顺利投放海外市场或花费很大的代价来满足国外相应的电磁兼容性能要求，这与国内的设计模式是分不开的，传统的设计方式遵循的是设计—样品生产—测试的模式，一旦测试不能通过测试标准，就必需按照设计流程重新开始！无疑，这样做的代价是冗长的设计周期和昂贵的设计成本。与此同时，国内缺乏相关技术标准，也缺乏相关的试验手段和条件来检测进口产品的电磁兼容性能。使得我国的电磁兼容技术远远落后于欧美等发达国家。
在90年代后期，国家和相关行业纷纷对产品的设备的电磁兼容性能制订标准规范，并制订了相关的认证实施措施；兴建了大量的电磁兼容实验室，规范国内外产品的电磁兼容性能。
在科学技术日益发展的今天，针对传统设计模式中解决电磁兼容性问题的弊端，国外企业纷纷引入电磁兼容分析软件，利用计算机在设计前期对系统电磁兼容性能进行模拟分析，即所谓的design-level analysis；首先找出风险频率点，进而找出影响电磁兼容性能的关键因素，有针对性的加以改进，从而为设计工程师提供理论上的指导和改进方向，将很多的设计风险扼杀在萌芽状态，从而能大大缩短设计周期和节省设计成本。
值得庆幸的是，国内的企业也日益重视电磁兼容分析软件在设计中的作用，越来越多的国内企业利用仿真软件来提升自己的设计能力！

为什么要选择FLO/EMC
FLO/EMC原来是英国专业射频仿真软件公司---KCC公司的产品，1999年Flomerics公司并购了KCC公司，KCC公司的开创人是TLM（传输线矩阵法）的创始人PETER B.JOHNS.
FLO/EMC是专业针对系统级电磁兼容性分析的分析软件，主要用于系统级的电磁兼容分析。
FLO/EMC主要有以下几个特点：

1．求解原理及优点
FLO/EMC采用先进的时域传输线法(TLM)，其原理是，FLO/EMC软件在做模拟时首先用的激励源是冲击脉冲，这个脉冲在时域的宽度极窄（实际上是趋于无限窄），从频域来说，它能覆盖极宽的频率范围（理论上说是无限宽）；当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，根据信号与系统的理论，在时域得到的将是此脉冲与系统函数即h(t)的卷积，对应于频域，结果将是系统函数H(s)与冲击脉冲的频域响应（理想情况下是1）的乘积，自然，我们将得到H(S)，它就是整个系统的频域响应！
由于以上的求解原理，所以只需要一次求解，FLO/EMC软件就可以得到系统在整个频域的响应曲线（理论上是无限的频宽），也就是系统的屏蔽效能曲线。
而其他通用电磁场分析软件，由于并非专门针对电磁兼容性分析而开发，并且通常采用的是频域的计算方法，从理论上来说，它们可以得到特定频点的频域解，如要得到整个频域响应，就必需采用插值法或其它快速算法，而这很难保证其它频点结果的准确性甚至会遗漏一些关键的谐振点。

2. FLO/EMC可以求解的问题
a. 屏蔽效能分析（Shielding Effectiveness）
1） 部件级的屏蔽效能分析：

光电转换接头示意图


光电转化接头场分布结果

2） 系统级的屏蔽效能分析：

PC电脑的结构示意图


PC电脑的表面电流分布


PC电脑的屏蔽效能曲线

b. 辐射性能分析(Radiation)
主要针对部件和系统的有意辐射(Intensional Radiation)问题，在这种情况下，可以灵活地设置激励源的方式，如线端口激励（Wire Port）、微带线端口激励(Microstrip Port)、带状线端口（stripline）、波导端口(Waveguide Port)等
部件级分析
如线缆间耦合、通风板的设计、缝隙及连接螺钉的设计、去耦电容性能的分析、接地方案的分析、滤波电路的优化、散热片的设计
1）散热片的设计与接地方案的选择

散热片的电流分布和场分布图

2）去耦电容选择和性能分析

去耦电容的设计方案


加去耦电容前后的结果比较

3）通风板的设计和屏蔽性能

结构示意图


通风板不同的通风孔的性能比较图

4）线缆间耦合


介质板上的两根trace


两根trace之间的电场分布矢量图
5）缝隙的设计


缝隙的结构示意图及两种设计方案（buttered and overlapped）


不同方案的分析结果


6）屏蔽衬垫（gasket）的设计


分析结果示意图

c. 散射系数分析(Scatter Parameter)
主要用于电路参数分析。

Smith圆图

3．灵活的激励源设置方式
实际的激励源可能有各种不同的波型，我们可以模拟不同的激励脉冲的情况，只要定义具体的激励源时间波形，通过将由冲击脉冲激励得到的系统的冲击响应与实际激励脉冲相卷积来得到整个系统的时域响应波形。

系统的冲击响应

实际激励脉冲


实际响应

4．强大的后处理模块(Postprocessing Module) [FLO/MOTION]
通过后处理模块，将要分析的系统的表面电流和系统内的电场、磁场可视化，还可以通过动态后处理来观察电流以及电场和磁场随相位的变化，为设计人员提供丰富的设计依据。
可以根据屏蔽效能曲线，得出系统的风险频率点（屏蔽效能差的频率点，即谐振点），然后从可视化的后处理模块中分析对应这些频率点的表面电流分布或电场分布，马上就看到该频率的泄漏点，并且可以判断是什么原因造成了此谐振；工程人员依据这些分析结果就很快可以通过改进结构以提高产品的EMC性能。


场分布及相位模拟图（animation）


近场圆柱扫描图

辐射方向图

5．完善的图形用户接口（GUI） [FLO/MCAD]
除了可以很方便地利用自带的建模工具建立分析模型，FLO/EMC还可以与FLOTHERM热分析软件共享模型，而利用FLO/MCAD模块，还可以方便地以各种格式导入其它CAD软件的模形文件（如.SAT .STEP .IGES .STL.以及 Pro/E、Catia等CAD软件模型的直接导入），大大方便了复杂模型的建立。

导入模型并做修正