作者:Ricardo Zaplana and Richard Anslow
MEMS系統(tǒng)用于鐵路、風(fēng)力渦輪機、電機控制和機床應(yīng)用中的振動監(jiān)測,以提高安全性、降低成本并最大限度地延長設(shè)備的使用壽命。與競爭技術(shù)相比,MEMS傳感器具有卓越的低頻性能,能夠更早地檢測鐵路和風(fēng)力渦輪機應(yīng)用中的軸承缺陷。顯著的成本節(jié)約與更高的設(shè)備缺陷檢測率相結(jié)合,確保符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。振動監(jiān)測需要寬帶寬(0 Hz至23 kHz)、低噪聲性能和寬振動測量范圍(2 g至200 g)。使用ADI公司廣泛的MEMS產(chǎn)品組合可以輕松實現(xiàn)這一點。
有線通信系統(tǒng)用于振動監(jiān)測,其中收集來自多個傳感器的原始數(shù)據(jù),或者使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實時控制。實施有線狀態(tài)監(jiān)控 (CbM) 系統(tǒng)存在一些挑戰(zhàn)。一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在數(shù)米的電纜上運行時的電磁兼容性 (EMC) 魯棒性,這可能會受到間接雷電浪涌、靜電放電和環(huán)境噪聲(如電感或容性負(fù)載的切換)的影響。對EMC干擾的魯棒性差會間歇性或永久性地降低從CbM系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量,如圖1所示。隨著時間的推移,質(zhì)量差的數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致有關(guān)資產(chǎn)運行狀況和維護的錯誤決策。
本文概括介紹了在設(shè)計 EMC 標(biāo)準(zhǔn)時遇到的主要難題,這些挑戰(zhàn)應(yīng)與當(dāng)今高度集成的 CbM 解決方案相協(xié)調(diào)。眾所周知,EMC設(shè)計很難在第一次就正確,即使是電路或?qū)嶒炇覝y試設(shè)置的微小變化也會極大地影響測試結(jié)果。本文介紹了一種系統(tǒng)級EMC仿真方法或虛擬實驗室,可幫助工程師在創(chuàng)紀(jì)錄的時間內(nèi)使設(shè)計符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。
為什么系統(tǒng)級EMC仿真很重要?
現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)時間表包括一項并行的 EMC 法規(guī)遵從性任務(wù)。EMC設(shè)計應(yīng)盡可能無縫,但事實往往并非如此,EMC問題和實驗室測試使產(chǎn)品發(fā)布延遲數(shù)月。與單獨的實驗室測試相比,虛擬實驗室EMC仿真方法可幫助工程師更快地解決EMC問題。虛擬實驗室模擬方法有助于解決實現(xiàn)EMC合規(guī)性的關(guān)鍵問題,因為:
現(xiàn)代 PCB 設(shè)計中集成度和元件密度的增加會導(dǎo)致復(fù)雜的問題,并具有多個 EMC 故障路徑。與單獨的實驗室測試相比,仿真可以幫助確定最佳的EMC緩解技術(shù),其方式更加靈活和省時。
EMC標(biāo)準(zhǔn)有時是模棱兩可的,這意味著如果以不同的方式測試電路,則會獲得不同的測試結(jié)果。與實驗室測試相比,使用仿真可以更快地更改測試并獲得結(jié)果。
整個系統(tǒng)的構(gòu)建需要確保EMC合規(guī)性,包括電纜選擇、長度和屏蔽以及測量設(shè)置。使用仿真,可以忽略實際測量探頭的影響,并且可以在幾秒鐘內(nèi)而不是幾小時內(nèi)更改電纜模型。
被測設(shè)備可能與客戶的安裝不同,導(dǎo)致不同的測試結(jié)果。使用仿真,可以更好地建模和理解真實的客戶應(yīng)用程序。
現(xiàn)有的仿真工具并不統(tǒng)一,并且仿真模型不容易用于電纜和PCB幾何形狀。虛擬實驗室允許集成電纜、PCB 以及無源和有源組件模型,并獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。
系統(tǒng)級EMC仿真有哪些優(yōu)勢?
系統(tǒng)級EMC仿真可大大縮短產(chǎn)品的上市時間。這是通過以下方式實現(xiàn)的:
快速識別電路弱點并提出有針對性的改進(jìn)建議。
在捕獲 EMC 故障和了解故障機制方面提高了 99%。
顯著節(jié)省成本 — 無需執(zhí)行多次設(shè)計和測試迭代。
節(jié)省大量時間 — 設(shè)計不需要多次迭代,考慮到 PCB 板布局、制造和組裝的交付周期,可將開發(fā)進(jìn)度縮短數(shù)月。
EMC 挑戰(zhàn)
在當(dāng)今高度集成的傳感器系統(tǒng)設(shè)計中,EMC面臨的一些挑戰(zhàn)很常見。首先,現(xiàn)代高密度PCB設(shè)計使通過EMC測試成為一項艱巨的任務(wù)。共享電源和數(shù)據(jù)線架構(gòu)(幻象電源)通常用于降低系統(tǒng)成本和PCB面積(更少的PCB連接器)。IEPE標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于振動傳感器技術(shù),為振動傳感器提供恒流源,傳感器輸出電壓在同一根導(dǎo)線上回讀,如圖2所示。這種2線系統(tǒng)意味著電源和數(shù)據(jù)通信線路會受到相同的EMC干擾,從而增加了EMC設(shè)計的復(fù)雜性。EMC濾波元件需要仔細(xì)選擇,以減輕電源干擾,但也不得降低數(shù)據(jù)電路通信帶寬。
圖2.具有共享數(shù)據(jù)和電源架構(gòu)的2線IEPE傳感器接口。
其次,許多工業(yè)產(chǎn)品都規(guī)定了系統(tǒng)級EMC標(biāo)準(zhǔn),例如IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度,制造商聲明產(chǎn)品抗擾度為A類(無通信錯誤)或B類(通信錯誤,但系統(tǒng)不需要重置)。A類合規(guī)性的閾值可能因制造商而異,通常由誤碼率(BER)或振動傳感器的等效微伏或微g范圍確定。A類順從閾值通常是一個非常低的電壓,遠(yuǎn)低于系統(tǒng)可以測量的最小信號。傳導(dǎo)RF抗擾度標(biāo)準(zhǔn)允許用戶使用BER定義系統(tǒng)的通過/失敗標(biāo)準(zhǔn),同時指定一些設(shè)置細(xì)節(jié)和噪聲注入電平。關(guān)于什么是最合適的設(shè)置和 BER,有很大的解釋空間,這給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn):如何將實驗室設(shè)計驗證測試設(shè)置與實際客戶應(yīng)用相匹配,特別是當(dāng)測試設(shè)置的微小變化可能導(dǎo)致測試結(jié)果發(fā)生巨大變化時。
第三,最常見的EMC測試程序需要在去EMC認(rèn)證實驗室進(jìn)行測試之前構(gòu)建完整的系統(tǒng)。完整的系統(tǒng)包括電纜選擇、長度和屏蔽。不同的電纜具有不同的電容規(guī)格,這反過來又會將或多或少的EMC噪聲耦合到受影響的系統(tǒng)中。電纜長度和屏蔽接地會導(dǎo)致高EMC頻率下的阻抗不匹配以及不同的接地電流返回路徑。構(gòu)建系統(tǒng)時,首選的測試方法是單獨測試每個子單元的EMC抗擾度;然而,在實際應(yīng)用中,整個系統(tǒng)將受到相同的EMC噪聲的影響。這些只是難以將工廠EMC測試與客戶實驗室測試相關(guān)聯(lián)的部分原因。
鑒于當(dāng)今高度集成的設(shè)計和EMC測試的復(fù)雜性,很明顯,需要一種省時靈活的EMC設(shè)計方法。實驗室測試之前和期間的仿真就是答案。我們的目標(biāo)是以最少的時間和精力獲得正確的實驗室結(jié)果。
使用虛擬實驗室加快調(diào)試并解決 EMC 問題
ADI公司的系統(tǒng)級專業(yè)知識和EMC仿真技術(shù)促成了虛擬實驗室仿真流程的開發(fā),如圖3所示。虛擬實驗室環(huán)境使第一次就獲得正確的EMC設(shè)計變得更加容易,執(zhí)行虛擬設(shè)計迭代,而不是耗時且昂貴的實驗室設(shè)置和測量迭代。計算能力、SPICE、電磁場模擬器和 CAD 軟件已經(jīng)融合并達(dá)到了這個虛擬實驗室可行的成熟點,工程師現(xiàn)在可以達(dá)到前所未有的精度和仿真速度。可以對PCB,電纜,集成電路芯片和無源元件以及EMC激勵進(jìn)行建模。可以分析結(jié)果,快速識別電路弱點并提出有針對性的改進(jìn)建議。
圖3.從真實實驗室遷移到虛擬實驗室環(huán)境。
使用虛擬實驗室環(huán)境,設(shè)計人員可以在測試期間訪問系統(tǒng)的任何物理節(jié)點,而不會受到實際實驗室中發(fā)現(xiàn)的典型測量限制(例如,測量設(shè)備帶寬、實驗室限制、探頭的非理想阻抗和外部噪聲)干擾測量。
幾種常見的工業(yè)IEC 61000系統(tǒng)級EMC標(biāo)準(zhǔn)測試可以在PCB制造之前進(jìn)行仿真,如表1所示。
IEC 系統(tǒng)級電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) | 描述和原因 | 可以模擬嗎? |
IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻 | 電磁場,來自射頻發(fā)射器,可以作用于連接到已安裝設(shè)備的整個電纜長度。 | ? |
IEC 61000-4-3 輻射射頻 | 作用在已安裝設(shè)備上的工業(yè)過程(例如,電動機、焊機)產(chǎn)生的輻射射頻電磁場。 | ? |
IEC 61000-4-5 浪涌 | 由開關(guān)或雷電瞬變引起的過電壓引起。開關(guān)瞬變可能是由電源系統(tǒng)切換或配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化引起的 | ? |
IEC 61000-4-4 電子轉(zhuǎn)帳 | 可能包括繼電器和開關(guān)觸點反彈或感性或容性負(fù)載開關(guān)引起的瞬變。 | ? |
IEC 61000-4-2 靜電放電 | 由近距離接觸或由電場引起的不同電位的物體之間靜電電荷的突然轉(zhuǎn)移。 | ? |
EN 50222 輻射發(fā)射 | 設(shè)計設(shè)備無意中排放噪音,這將成為環(huán)境中其他設(shè)備的干擾源。 | ? |
MEMS 和仿真案例研究
本節(jié)介紹仿真案例研究以及與實驗室測量的相關(guān)性,使用圖4振動監(jiān)控電路和ADI公司的ADXL1002 MEMS加速度計。該電路與廣泛使用的IEPE接口兼容,如圖2所示。該電路包含兩個并聯(lián)穩(wěn)壓器,其中一個(IC1)為加速度計和AD8541運算放大器(IC3)供電,另一個(IC4)提供9.5 V直流偏置。當(dāng)系統(tǒng)上電且ADXL1002為靜態(tài)時,通信總線保持在12 V dc。圖3中的電路要求符合IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度,這是工業(yè)應(yīng)用中設(shè)備的常見要求。
圖4.采用ADXL1002和IEPE兼容接口的MEMS電路。
關(guān)聯(lián)真實實驗室和虛擬實驗室仿真需要幾個流程步驟,總結(jié)如下:
真實的實驗室設(shè)置和仿真環(huán)境關(guān)聯(lián)
使用虛擬實驗室開發(fā)仿真模型(圖 3)
使用仿真確定 EMC 弱點的設(shè)計
使用仿真確定 EMC 改進(jìn)的設(shè)計
在實際實驗室中驗證 EMC 改進(jìn)設(shè)計
第 1 步:真實實驗室設(shè)置和仿真環(huán)境關(guān)聯(lián)
IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度測試適用于在存在射頻(RF)場的環(huán)境中運行的產(chǎn)品。射頻場可以作用于連接到已安裝設(shè)備的整個電纜長度。在IEC 61000-4-6測試中,RF電壓從150 kHz步進(jìn)到80 MHz。RF電壓由1 kHz正弦波調(diào)制80%幅度(AM)。IEC 61000-4-6 標(biāo)準(zhǔn)將 3 級指定為 10 V/m 時的最高射頻電壓。RF電壓注入電纜屏蔽層,或使用鉗位進(jìn)行電容耦合。
如表2所示,虛擬和真實實驗室環(huán)境之間需要關(guān)聯(lián)幾個關(guān)鍵參數(shù):
測試級別和IEC EMC標(biāo)準(zhǔn)(幅度,頻率)
電纜規(guī)格(長度、電容、屏蔽)
系統(tǒng)接地(包括電纜屏蔽層)
測量參數(shù)(電路中的什么和位置)
測試通過/失敗閾值(幅度、頻率)
參數(shù) | 描述 | 相關(guān) | |
虛擬實驗室 | 真實實驗室 | ||
傳導(dǎo)射頻發(fā)生器測試列 | 3 級,0.15 MHz 至 80 MHz,10 V/m rms,80% AM,1 kHz 正弦波。 | ? | ? |
傳導(dǎo)射頻注入法 | 100 Ω、6 W 電阻,用于將傳導(dǎo)射頻直接注入電纜屏蔽層。 | ? | ? |
電纜 | 兩芯屏蔽電纜(百通4300FE.00100)。長1.5米。內(nèi)核/屏幕電容 224 pF/m。 | ? | ? |
電纜屏蔽連接 | 接地連接。 | ? | ? |
測量參數(shù) | 在EMC測試期間,MEMS傳感器PCB是靜態(tài)的(沒有信號擺幅),因此測得的噪聲電壓是與標(biāo)稱值12 V直流的偏差。此外,MEMS電路電源軌作為電路故障的可靠指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。 | ? | ? |
測試通過/失敗閾值 | <0.1 % MEMS 范圍(0.04 g 或 1.6 mV)。 | ? | ? |
測量設(shè)備 | 示波器、電壓探頭。 |
? 無需考慮影響 的測量設(shè)備。 |
? 用于隔離測量的光學(xué)隔離探頭 來自傳導(dǎo)射頻噪聲干擾的設(shè)備。 |
IEPE閱讀器/電流源 | 恒流源儀表用作標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn),因為IEPE讀卡器的抗擾度可能因制造商而異。 | ? | ? |
第 2 步:使用虛擬實驗室開發(fā)仿真模型
通常,SPICE型號可用于大多數(shù)有源和無源電路組件。電磁模擬器可以模擬其他非標(biāo)準(zhǔn)組件,例如PCB幾何形狀和網(wǎng)絡(luò),以及電纜模型。
表 2 中收集的信息有助于確保電纜參數(shù)的準(zhǔn)確建模。該系統(tǒng)使用 2 芯屏蔽電纜,與非屏蔽電纜相比,成本更高。從EMC的角度來看,沒有電纜屏蔽會使系統(tǒng)更弱。與屏蔽電纜系統(tǒng)相比,使用非屏蔽電纜進(jìn)行仿真時,EMC噪聲明顯增加。
MEMS IEPE電路(如圖4所示)設(shè)計為盡可能緊湊(1.9厘米×1.9厘米),僅使用兩個PCB層。由于耦合電容和串?dāng)_較高,使用2層PCB會增加潛在的EMC問題,因此必須仔細(xì)設(shè)計。
此時,系統(tǒng)設(shè)計工程師可以使用電磁仿真工具開始提取PCB和電纜的模型,并將其鏈接到IC和無源元件的SPICE模型。現(xiàn)在可以執(zhí)行SPICE仿真,并且EMC激勵可以在系統(tǒng)級別進(jìn)行交互。圖5顯示了PCB物理幾何形狀和網(wǎng)絡(luò)以及2芯屏蔽電纜的電磁仿真模型。三維PCB SPICE模型是對PCB物理布局的完整抽象。3D PCB SPICE 型號包括許多引腳,可用于連接 MEMS、運算放大器和并聯(lián)穩(wěn)壓器 SPICE 模型。通過這種方式,可以執(zhí)行極其精確的電氣仿真。與更改和測試實際硬件相比,可以更改無源元件值(電容器、電阻器、電感器),并且可以以更省時和更靈活的方式觀察和校正系統(tǒng)諧振。電纜SPICE模型可以在測試期間修改,例如,可以增加或減少電纜長度,這可能會對EMC耦合和系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響。
圖5.PCB物理幾何形狀和網(wǎng)絡(luò)的電磁仿真模型,以及2芯屏蔽電纜。
EMC時域仿真完成后,工程師可以分析電路瞬態(tài)響應(yīng)隨時間和頻率的變化。根據(jù)EMC測試的類型,必須進(jìn)行瞬態(tài)或頻率分析。瞬態(tài)分析的例子可以進(jìn)行抗擾度測試,頻域的例子是輻射發(fā)射EMC測試(更多信息見表1)。
第 3 步:使用仿真確定 EMC 弱點設(shè)計
對整個系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真后,就很容易找到故障機制。EMC噪聲電壓注入電纜屏蔽層。然后,噪聲電壓通過電纜屏蔽層和電線芯之間的寄生電容耦合。噪聲被引導(dǎo)至PCB上的ACC節(jié)點,如圖6所示。噪聲電流路徑遵循阻抗最小的路徑,在本例中通過電容C8到達(dá)運算放大器輸出。運算放大器因此而飽和,從電源(VDD)節(jié)點吸收高電流。The IC1 VDD穩(wěn)壓器無法提供如此高的電流;因此,VDD電壓下降。五世DD壓降會暫時關(guān)閉MEMS傳感器(標(biāo)稱電壓為5 V),導(dǎo)致運算放大器輸出端產(chǎn)生電壓紋波(噪聲)。
圖6.電路故障機制。
確定了第二種故障模式,僅使用實驗室測試很難或不可能觀察和調(diào)試。高頻傳輸線通常端接與傳輸電纜阻抗相匹配的負(fù)載。由于低頻(千赫茲)數(shù)據(jù)通信,IEPE電纜通常未端接。但是,當(dāng)EMC噪聲注入60 MHz至70 MHz范圍時,噪聲電壓會反映在通信總線上,因為電纜未端接匹配負(fù)載。
第 4 步:使用仿真確定 EMC 改進(jìn)的設(shè)計
目標(biāo)是確定成本最低、最有效的電路更改,以緩解EMC問題。這兩個EMC問題可以通過增加兩個電容來解決,如圖7所示。The 22 nF C電磁兼容將噪聲引導(dǎo)至敏感電路(運算放大器、MEMS)之外,噪聲電流現(xiàn)在通過C1電容分流至地,如圖所示。可以添加在100 MHz頻率下具有高阻抗的鐵氧體磁珠,以提供額外的保險,以阻止任何殘余噪聲。該 C術(shù)語在EMC測試期間以高頻分流電纜反射。
圖7.針對 EMC 改進(jìn)而設(shè)計。
如步驟 3 中所述,VDD電網(wǎng)故障是EMC敏感性的可靠指標(biāo)。圖8顯示了V中的壓降DD電源網(wǎng)其中 C電磁兼容未使用。仿真預(yù)測壓降約為2 V或更大。當(dāng) C電磁兼容使用時,與標(biāo)稱值的偏差在微伏范圍內(nèi),遠(yuǎn)低于1.6 mV的目標(biāo)順從閾值。
圖8.模擬 VDD帶 C 的電源網(wǎng)絡(luò)電磁兼容電容器(綠色波形)和不帶 C電磁兼容(藍(lán)色波形)。
ADI公司的ADXL1002 MEMS傳感器具有11 kHz的3 dB帶寬,因此選擇C電磁兼容和 C術(shù)語對于保持 11 kHz 通信總線至關(guān)重要。利用虛擬實驗室的靈活性,模擬了許多電容值,并選擇了兩個最佳電容值。添加這些電容后,預(yù)計系統(tǒng)將滿足噪聲電壓小于1.6 mV的EMC通過標(biāo)準(zhǔn)。
步驟 5:在實際實驗室中驗證 EMC 改進(jìn)設(shè)計
如圖4所示,原始電路使用表2參數(shù)進(jìn)行了實驗室測試。結(jié)果是在77 MHz測試頻率下出現(xiàn)912 mV噪聲的嚴(yán)重故障。
按照步驟 4 建議,使用 22 nF 電容器 (C電磁兼容) 與電阻 R3 并聯(lián)添加。這導(dǎo)致99%的改善,測量的噪聲小于6 mV,如圖9實驗室測試結(jié)果(藍(lán)色波形)所示。
圖9.遵循虛擬實驗室建議的模擬和實驗室測試結(jié)果。
為了實現(xiàn)噪聲低于1.6 mV的設(shè)計目標(biāo),100 nF C術(shù)語在 ACC 和 GND 節(jié)點之間以及 C 之間添加電磁兼容22 nF.圖9顯示了綠色仿真結(jié)果,噪聲曲線在0.15 MHz至80 MHz寬頻譜上趨于平緩。
一旦實現(xiàn)了結(jié)果和目標(biāo),就可以從EMC的角度確定系統(tǒng)的哪個部分是最薄弱的環(huán)節(jié)。在這種情況下,電纜是主要貢獻(xiàn)者,因為它將EMC能量從源頭耦合到電路,并且由于其長度和更高頻率的端接阻抗而引起反射。兩個電容器(C術(shù)語和 C電磁兼容)能夠有效地將兩個噪聲源分流到電纜接地。替代解決方案和方法,例如取代運算放大器,是不現(xiàn)實的。用超低輸出阻抗運算放大器代替運算放大器是一個糟糕的選擇,因為低輸出阻抗器件固有較高的功耗,這會影響整體設(shè)計的競爭力。
結(jié)論
通過對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真,可以對電路在EMC應(yīng)力下的行為提供前所未有的見解,是解決復(fù)雜EMC問題的最佳方法。使用這種方法可以大大縮短上市時間。使用本文中描述的工藝流程,EMC 的設(shè)計改進(jìn)了 99% 以上。
審核編輯:郭婷
-
傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
2551文章
51134瀏覽量
753898 -
mems
+關(guān)注
關(guān)注
129文章
3934瀏覽量
190686 -
電機
+關(guān)注
關(guān)注
142文章
9023瀏覽量
145563 -
emc
+關(guān)注
關(guān)注
170文章
3925瀏覽量
183271
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論