原创 EMC 辐射发射的试行计算方法

 2022-4-26 17:41  1067 5 5 分类: 电源/新能源

想介绍一下电磁兼容性（EMC）的计算方法和仿真系列中的辐射发射（CE： Radiated Emission）的试行计算方法。该方法是与车载产品的电磁兼容性（EMC）特性有关的“CISPR25标准ALSE法”。

CISPR是IEC的下属组织国际无线电干扰特别委员会（法语：Comité international spécial des perturbations radioélectriques）的缩写。ALSE法是“Absorber-Lined Shielded Enclosure”的缩写，是一种测量从DUT（测试对象：半导体集成电路（LSI））和线束等辐射出的电磁噪声的方法。

计算对象包括车载蓄电池（Battery）、人工电源网络（AN）、线束、DUT（测试对象）、接地层等。计算概念基于IEC 62433标准，支持数据同化（Data Assimilation），支持降噪（Noise Reduction）。分析方法为电路分析、电磁场分析和数值分析。

接下来我按照顺序逐一讲解。在试行计算中，分两个阶段进行处理，优化（Optimization）和预测计算（Prediction）分别使用shell脚本来自动化处理。第一阶段的优化（Optimization）按照以下步骤进行计算：

① 针对半导体集成电路（LSI）的电源电流和负载电流，通过PWL（Piecewise Linear，分段线性）波形创建IA模型（电磁干扰模型）。这一步通过电路分析（瞬态分析）来获取数据。
② 由于使用数据同化技术，因此可以获取没有实施EMC措施状态下的CISPR25标准ALSE法的测量值。
③ 对①IA模型（PWL波形）和②测量值都进行降噪处理（上限包络处理）。这一步通过数值分析来获取数据。
④ 在SPICE电路网中描述车载蓄电池（Battery）和人工电源网络（AN），将线束和接地层作为电磁场分析的计算对象，创建CAD数据。
⑤ 通过电磁场分析（MoM法：矩量法）来计算③和④，可以求得1个频率的辐射发射值（电场：dBµV/m）。
⑥ 到此为止只是计算值，因此通过计算与③中测量值之间的差异来校正计算值。
⑦ 对所需频率（例如开关频率的N次谐波）重复相同的计算，将各瞬态分析的结果创建为曲线图（频率轴），并绘制限值（与AC分析结果格式相同）。然后，优化（Optimization）的计算结果显示出计算值与测量值几乎是完全一致的状态。

第二阶段的预测计算（Prediction）按照以下步骤进行计算：

⑧ 获取已实施EMC措施的半导体集成电路（LSI）的IA模型（PWL波形）。其目的是计算和预测在重新设计硅芯片或更改应用电路时电源电流和负载电流的变化等因素对减少辐射发射（RE）有怎样的效果。
⑨ 对这个⑧IA模型（PWL波形）进行降噪处理（上限包络处理）。
⑩ 将③中的IA模型（PWL波形）替换为⑧中的IA模型（PWL波形），求1个频率的辐射发射值（电场：dBµV/m）。
⑪ 使用优化（Optimization）⑥中求得的差值来校正⑩辐射发射的计算值。
⑫ 对多个频率进行与⑦相同的计算。根据该结果，即可判断预测计算（Prediction）是否符合“CISPR25标准ALSE法”。

以上对计算方法进行了简要说明，下面给出了一些主要步骤的图示。

回路設計とEMC設計の塩梅：第18回 EMC計算法・EMCシミュレーション(3) 放射エミッション(RE)の計算試行

电磁场分析（MoM法）的CAD数据和计算结果示例

回路設計とEMC設計の塩梅：第18回 EMC計算法・EMCシミュレーション(3) 放射エミッション(RE)の計算試行

车载蓄电池、人工电源网络、线束、DUT的描述示例

回路設計とEMC設計の塩梅：第18回 EMC計算法・EMCシミュレーション(3) 放射エミッション(RE)の計算試行

优化（Optimization）结果，未实施EMC措施的示例
（黑色：测量值，红色：计算值，蓝、绿、黄：极限值）

回路設計とEMC設計の塩梅：第18回 EMC計算法・EMCシミュレーション(3) 放射エミッション(RE)の計算試行

预测计算（Prediction）结果，实施了EMC措施的示例
（黑色：测量值，红色：计算值，蓝、绿、黄：极限值）

在实际的设计现场，在半导体集成电路（LSI）的电路设计过程中，时间非常紧张，很难给EMC测量验证和EMC计算预测上分配大量时间。对此，通过使用相对简单的计算模型，可以缩短计算时间，同时，通过与测量值进行对比和整合，还可获得实用的计算精度。此外，通过（shell）脚本，可在后台运行电磁场分析和数值分析，也无需复杂的操作。硬件方面也不需要特别高级的电脑（在本文的试行计算示例中，CPU：约15min，MEM：100MB以下）。还有一种方法是进行详细的设备建模，并利用超级计算机等设备充分进行电磁场分析。这些都是行之有效的方法，但如果您专攻半导体集成电路（LSI），我认为类似的试行计算也不失为一种好方法。

感谢您阅读本文。

＜书籍参考页码＞
《LSI的EMC设计》，科学信息出版株式会社，2018年2月第一版，ISBN978-4-904774-68-7。