隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化技術(shù)的不斷變革,車輛承載的功能也愈加復(fù)雜,智能汽車也迎來了從分布式向域集中式的過渡階段,大量ECU整合,減少了整車相應(yīng)的線束和空間布置的難度,避免了因眾多分散的運(yùn)算控制單元導(dǎo)致的算力浪費(fèi)。在實(shí)現(xiàn)架構(gòu)優(yōu)化的同時(shí),集成式控制器也帶來了更加嚴(yán)峻的輻射發(fā)射(RE)問題,并且產(chǎn)品的輻射發(fā)射問題已成為延滯產(chǎn)品開發(fā)周期的關(guān)鍵難題。
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輻射發(fā)射簡介
輻射發(fā)射(RE,Radiated Emission)指電子產(chǎn)品其內(nèi)部電路工作時(shí)向周圍空間發(fā)射的電磁波,電磁波通過空間作為傳播路徑而不是導(dǎo)線,目的是測(cè)試電子、電氣產(chǎn)品及其部件,包括來自外殼、電纜及連接線上的輻射發(fā)射強(qiáng)度,檢測(cè)其輻射發(fā)射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求,以便產(chǎn)品工作時(shí)不影響同一環(huán)境中的其他設(shè)備。
現(xiàn)階段產(chǎn)品集成度高且測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛,RE失效率顯著提高。測(cè)試階段產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)、PCB布局與走線設(shè)計(jì)已定型,將導(dǎo)致整改措施受限且整改成本高。此外,常見多干擾源導(dǎo)致頻點(diǎn)超標(biāo)問題極難定位源頭,測(cè)試排查周期長、成本高。使用預(yù)測(cè)測(cè)試結(jié)果的輻射發(fā)射仿真方法,采用軟件模擬產(chǎn)品的輻射發(fā)射強(qiáng)度或快速定位干擾源,可提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品輻射發(fā)射特性,并提供RE失效的整改思路與方案,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,有效降低成本,提高產(chǎn)品RE測(cè)試通過率。
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輻射發(fā)射建模與仿真思路
輻射發(fā)射仿真可以在項(xiàng)目原理圖階段指導(dǎo)器件選型、layout階段指導(dǎo)走線與器件布局、機(jī)械上均衡發(fā)射發(fā)射與散熱設(shè)計(jì),測(cè)試階段提供整改思路與解決方案。因此基于不同階段的RE仿真將有不同的仿真思路,簡要分為以下四類:
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模塊級(jí)別的PCB板級(jí)輻射
模塊級(jí)別的RE仿真通??紤]PCB關(guān)鍵模塊與PCB走線,將PCB導(dǎo)入仿真軟件,配置層疊結(jié)構(gòu)參數(shù)與器件模型,可分別進(jìn)行近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的板級(jí)輻射分析,通過場(chǎng)圖分析可以定位PCB板輻射發(fā)射強(qiáng)弱點(diǎn);
圖1 板級(jí)電磁輻射圖
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制器級(jí)別的RE仿真
控制器級(jí)別的RE仿真考慮外殼機(jī)械結(jié)構(gòu)與PCB板的控制器系統(tǒng),提取PCB走線參數(shù),建立模型、激勵(lì)配置進(jìn)行仿真求解、近場(chǎng)分析輸出數(shù)據(jù),導(dǎo)入外殼模型,配置近場(chǎng)數(shù)據(jù)。輸出產(chǎn)品帶外殼的控制器級(jí)別的輻射發(fā)射仿真曲線和場(chǎng)圖,可以清晰的定位系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品輻射發(fā)射的強(qiáng)弱位置,為產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)輻射發(fā)射整改與設(shè)計(jì)提出解決思路。
圖2 控制器級(jí)電磁輻射圖
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模塊級(jí)別的PCB板級(jí)輻射
在考慮控制器外殼的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮接插件互連與線束,進(jìn)行線束介入的RE仿真,輸出對(duì)應(yīng)DUT或線束中心1米遠(yuǎn)處的輻射發(fā)射結(jié)果。
圖3 RE仿真線束建模圖
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暗室測(cè)試環(huán)境與天線的系統(tǒng)級(jí)別的RE仿真
在考慮線束與控制器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)比不同暗室環(huán)境的等效模型,考慮測(cè)試環(huán)境建模后的系統(tǒng)級(jí)輻射發(fā)射仿真,并得到輻射發(fā)射的系統(tǒng)級(jí)別仿真結(jié)果。
圖4 三種暗室等效方案RE仿真結(jié)果曲線對(duì)比
聯(lián)合電子的輻射發(fā)射仿真實(shí)例1:
隨著汽車電子控制器從分布式向集中式的變革,產(chǎn)品集合的干擾源也越來越多,眾多的干擾源也將導(dǎo)致倍頻點(diǎn)的重疊,僅通過測(cè)試手段難以定位,聯(lián)合電子采用輻射發(fā)射仿真將高效且低成本的定位某個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)干擾源所起的主次作用,并快速提供整改思路與解決方案。
多干擾源建模
圖5為8個(gè)干擾源組成的輻射發(fā)射仿真模型,通過提取走線S參數(shù),搭建仿真建模,分別配置8個(gè)干擾源的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)路協(xié)同仿真。
SIwave提取走線S參數(shù)
SIwave Link Circuit建模
圖5 多干擾源建模與仿真
信號(hào)頻譜
圖6為8個(gè)干擾源配置等效模型與激勵(lì)后仿真求解所得的FFT變換的單干擾源的頻譜特性,由此定位關(guān)鍵頻點(diǎn)的多干擾源的貢獻(xiàn)作用;
圖6 多干擾源信號(hào)頻譜
RE仿真頻譜
圖7紅色曲線為8個(gè)干擾源共同作用下的產(chǎn)品對(duì)外RE的曲線結(jié)果,幅值高,但無法定位關(guān)鍵干擾源,結(jié)合圖6的各干擾源的獨(dú)立頻譜,藍(lán)色曲線是去掉干擾1和5的RE結(jié)果,對(duì)比紅藍(lán)曲線可知,在仿真頻段內(nèi)最低可降低30dB,由此定位干擾源1和5為主要干擾源。
圖7 關(guān)鍵信號(hào)的RE仿真頻譜
聯(lián)合電子的輻射發(fā)射仿真實(shí)例2:
汽車電子控制器產(chǎn)品有許多為金屬外殼,如:ECU(電子控制器)、高速VC(中央計(jì)算控制器)產(chǎn)品,金屬外殼控制器產(chǎn)品接地對(duì)產(chǎn)品的輻射發(fā)射有一定影響作用,由此,聯(lián)合電子考慮建立PCB與外殼的整體輻射發(fā)射模型,用于更貼合金屬外殼產(chǎn)品實(shí)際情況的輻射發(fā)射建模仿真。
輻射源建模仿真
本案例干擾源以DDR的時(shí)鐘信號(hào)為驅(qū)動(dòng)激勵(lì),圖8(a)為PCB的仿真模型,圖8(b)是DDR的SI建模與時(shí)域仿真,圖8(c)為CA和DQ信號(hào)的眼圖仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。
(a)Siwave DDRwizard建模
(b)Circuit建模
(c)CA和DQ的眼圖
圖8 DDR建模與仿真
帶金屬外殼的輻射發(fā)射仿真
基于DDR模塊的信號(hào)完整性仿真結(jié)果,場(chǎng)路協(xié)同進(jìn)行DDR的RE仿真,結(jié)合HFSS實(shí)現(xiàn)外殼介入,進(jìn)行產(chǎn)品輻射強(qiáng)弱點(diǎn)定位,實(shí)現(xiàn)外殼介入后產(chǎn)品對(duì)外輻射發(fā)射強(qiáng)度的可視化比對(duì)。圖10為帶外殼的DDR輻射發(fā)射頻譜與場(chǎng)強(qiáng)分布圖。通過控制器級(jí)別的輻射發(fā)射仿真,將有效指導(dǎo)產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品EMC性能優(yōu)化,為產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)與整改策略。
圖9 產(chǎn)品DDR的輻射發(fā)射仿真
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小結(jié)
聯(lián)合電子在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,融入輻射發(fā)射仿真技術(shù),有效提高產(chǎn)品在原理圖、layout設(shè)計(jì)、機(jī)械等多方面的RE正向設(shè)計(jì)能力,降低產(chǎn)品的RE測(cè)試失效風(fēng)險(xiǎn),有利于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭解決輻射發(fā)射問題,減少因輻射發(fā)射問題導(dǎo)致的產(chǎn)品測(cè)試多輪迭代和成本周期。
在產(chǎn)品的測(cè)試階段,聯(lián)合電子采用輻射發(fā)射仿真方法將實(shí)現(xiàn)超標(biāo)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)多干擾源時(shí)的主次快速定位,為產(chǎn)品通過輻射發(fā)射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供整改思路與解決方案,幫助客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低研發(fā)成本,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速交付和迭代更新,提高研發(fā)效率,助力客戶敏捷響應(yīng)市場(chǎng)需求和變化。
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原文標(biāo)題:“仿真”不阿-淺析EMC仿真之RE仿真
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