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智能电器操控板EMC仿真与优化

发布时间:2022-09-28 06:58:42 来源:环球体育bet

  为了尽早地在产品规划阶段处理电磁兼容问题,规划师需求进行根据理论剖析和协作规划的EMC仿真。本文选用Ansoft SIwave软件,仿真剖析了PCB中高频谐波搅扰对智能电器操控板电磁兼容性发生的影响。最终,根据仿真成果对PCB的规划进行了优化。经试验证明,操控板的EMC问题得到了有用的处理。

  电磁兼容性反映了电子或电气设备/体系在其电磁环境中符合要求地运转且不对其环境中其它任何设备发生无法忍受的电磁搅扰的才干。智能电器是传统电器与电子技能结合的产品,现在,以智能电器为根底的大型电力设备的在线监测,关于电力体系的安全运转更是起着至关重要的效果。

  因为智能电器常常运转于高电压、大电流的现场环境中,与被维护和监控的设备、体系处于同一个电磁空间,以微型核算机为中心的监控单元必然会遭到来自于电力体系的不同能量、不同频率的电磁搅扰,因而,智能电器的电磁兼容问题会集在智能电器的操控单元上。

  智能电器的电磁兼容功能直接关系到智能电器的牢靠作业,然后对电力体系的安全运转构成影响。与智能电器功能与原理的研讨相比较,EMC问题的研讨显得严峻缺乏:在产品的规划进程中,不能针对EMC问题体系地考虑元件功能的选配和体系结构的整合;某个EMC问题的处理常常要经过重复的试验和修正,而且往往不能对呈现EMC问题的规模进行准确的定位,对该规划或许呈现的EMC危险不能给出科学的猜测。在规划时有必定的盲目性,往往存在过度规划和规划缺乏的问题,由此提高了本钱、延长了开发周期。

  最经济有用的电磁兼容规划办法是在规划的前期阶段充分考虑电磁兼容的技能要求,从国际上来看,电磁兼容仿真己经成为电子设备规划时有必要的一个进程,经过仿真能够在设备投入生产之前发现问题、处理电磁兼容问题,然后节约因为电磁兼容不合格构成重复修正规划的本钱。

  本文选用SIwave仿真软件,在智能电器操控板规划阶段,经过规划——仿真——优化——仿真的办法,在产品成型之前很好地处理了EMC问题。

  大体而言,电磁问题的核算办法可分为三类:理论剖析法、专家体系及数值剖析法。理论剖析法对问题的几许模型做简化和假定,然后得到近似解。专家体系对场不进行准确剖析,它根据本身数据库,来预算相应的参数值。而数值办法设法求解带有相应鸿沟约束条件根底的场方程(麦克斯韦方程组),对场进行准确的剖析。因为数值办法的准确性,因而此办法在工程中得到了广泛的使用。

  电磁兼容数值仿真进程也便是电磁场问题的数值核算进程。在求解电磁场边值问题的进程中,假如数学模型是齐次或非齐次偏微分方程,则只要关于简略媒质和鸿沟条件的少量问题,才干由解析办法得到准确解。电磁波散射和衍射问题的数学模型是积分方程,求解进程中的核算量十分大,所以在曩昔核算机存储容量和运算速度都十分有限的情况下,要得到解析解是很困难的。

  跟着高速大容量电子核算机的迅速发展,使用核算机进行多维数值积分、高阶矩阵求逆等运算己成为可行。自上世纪六十年代中期开端,核算机技能在求解导行波、天线和散射等实践电磁场问题的数值核算中得到了广泛使用。

  到现在为止,电磁场数值剖析办法在处理有关电磁兼容方面问题起到了十分重要的效果,80%的电磁兼容问题都能使用仿真在规划阶段予以处理。数值剖析办法则是把连续变量函数离散化,把微分方程化为差分方程,把积分方程化为有限求和的办法,然后树立收敛的代数方程组,然后使用核算机分步进行求解。为了准确剖析在某一空间规模内随时刻改动的电磁场,或许需求无限多个数据。

  可是,一方面,因为数字核算机可处理数据的字长和存储容量的有限性使其无法存储太多的数据,另一方面,运算速度的有限性使其在有限时刻内难以得出目标的准确解,所以实践使用中有必要做些近似和简化。

  现在核算电磁场的数值办法有变分法、时域有限差分法、矩量法、有限元法、鸿沟元法等,其间变分法是这些办法的根底。电磁兼容数值仿真商用软件较多,首要有ANSOFT、CST Microwave Studio、 ANSYS(FEKO)、FLO/EMC、EMC2000、IES等。

  EMC仿真软件能够为咱们供给十分有用的高频和高速电磁仿真规划东西,它集高速电路建模、仿真和优化为一体,用仿真替代试验,能够快速的协助工程师完结高速电路EMC规划,完成信号完好性,削减研制费用,缩短研制周期。

  现在,国际上商业的EMC仿真软件有许多种,首要使用于高速PCB电路规划、各种类型的高频滤波器规划、高频天线和波导规划、传输线规划(包含微带、带状线和同轴电缆等)、信号完好性规划和电磁剖析等。此外,不同仿真软件对模型的要求也各不相同。

  根据智能电器操控板的特色,咱们选用Ansoft SIwave作为仿真东西,该软件是一个准确的整板级电磁场全波剖析东西,它选用三维电磁场全波办法剖析整板或整个封装的全波效应。板上放置去耦电容的效果,改动信号层或分隔供电板引进的阻抗不连续性;信号线与供电板间的噪声耦合、传输推迟、过充和下冲、反射和振铃等时域效应;本振模和S、Z、Y参数等频域现象。其成果能够先进的二/三维办法图形显现,并可输出Spice等效电路模型用于Spice仿真。

  SIwave供给了无缝的集成规划流程,能够从规范布板东西如,Cadence Allegro、APD、Zuken CR-5000等所发生的地图直接输入到SIwave中进行剖析。

  为了减小电源/地弹噪声和EMI辐射,该智能电器操控板选用了多层PCB板结构,此结构使得电源平面和地平面耦合更紧,一起能够严格操控阻抗以防止信号回路问题。但多层板结构会引起较严峻的电源完好性问题,地层和相邻的电源层构成波导结构,该结构的谐振形式取决于结构的几许形状、尺度以及叠层的介质,因为谐振将导致严峻的开关噪声,因而,谐振形式的仿真有必要在规划的前期进行。

  用SIwave软件对操控板的PCB进行仿真剖析。关于实在杂乱的PCB板或IC封装,包含多层、恣意形状的电源和信号线,SIwave可仿真整个电源和地结构的谐振频率。针对该操控板,在频率120MHz~1.2GHz规模内,共核算10个谐振形式,如图1所示。

  在每一谐振形式下,整个板的电压散布都能以三维图形加以显现,比较发现,在形式2和形式8下,谐振最为严峻,电压散布如图2和图3所示。

  操控板要尽或许防止作业在谐振频率点,假如无法逃避,则能够经过在PCB板上放置去耦电容改动谐振频率。

  在谐振较严峻的区域共放置21只去耦电容,如图4所示,在相同的频率规模内从头核算谐振形式,成果表明,在120MHz ~ 1.2GHz内只要一个谐振形式,如图5所示,与之对应的电压散布如图6所示。成果表明,去耦电容改动了谐振频率,然后完成操控板的作业频率远离谐振频率,然后改进EMC功能

  使用仿真的办法在电子设备规划之初处理EMC问题具有重要意义。本文介绍了EMC仿真的根本办法,并凭借优异的电磁仿真软件SIwave对智能电器操控板进行了EMC仿真剖析。

  该操控板的特色是电源体系较杂乱,由开关电源供给三种不同特性的电源,因为高速PCB的信号完好性、电源完好性与电磁兼容直接相关,因而,杰出的电源完好性有利于信号完好性和电磁兼容,根据这一现实,对电源完好性的仿真作为该体系EMI/EMC剖析的要点。

  仿真分为两个阶段:优化前仿真与优化后仿真。因为去耦电容能够改动谐振频率,因而优化的首要手法是在必要的区域合理地放置去耦电容。仿真成果表明,经过优化规划,PCB外表电压显着减小,有用地按捺了辐射,然后改进EMC功能。

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