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技術(shù)專題
PCB設(shè)計(jì)中建模接收到的EMI
收到EMI時(shí)，會(huì)在電路中產(chǎn)生干擾，可以將其建模為系統(tǒng)中的電壓/電流源。您需要使用的信號(hào)源取決于系統(tǒng)接收的EMI類型。
連續(xù)來源
連續(xù)的EMI源包括從諧波源到調(diào)制源的所有內(nèi)容。調(diào)制源將是寬帶的，并且將引起復(fù)雜的時(shí)間相關(guān)響應(yīng)。瞬態(tài)分析在這里也很有用，因?yàn)樗蚰故玖穗娐啡绾雾憫?yīng)外部EMI源中的時(shí)間變化。在這里，您不必?fù)?dān)心EMI源如何將信號(hào)耦合到電路中。這將部分取決于您的PCB布局。相反，您想了解電路如何響應(yīng)窄帶和寬帶EMI。
例如，考慮一個(gè)以1 MHz（5 V幅度）運(yùn)行的模擬電路，該電路從外部源接收1.2 MHz FM信號(hào)作為EMI。在下面顯示的示例中，接收到的EMI信號(hào)的載波頻率為1.2 MHz，調(diào)制頻率為200 kHz，調(diào)制指數(shù)為4。
下面顯示的瞬態(tài)分析結(jié)果說明了模擬電路的靈敏度-1 MHz信號(hào)最初顯示出輕微的瞬態(tài)響應(yīng)，峰值幅度高達(dá)8V。接收到的FM信號(hào)的調(diào)制也被疊加在負(fù)載上看到的電壓上。此示例中存在明顯的干擾，該干擾將傳播到負(fù)載組件中。
運(yùn)行于1 MHz的模擬電路的瞬態(tài)分析結(jié)果。來自1.2 MHz FM EMI信號(hào)的調(diào)制似乎疊加在所需的1 MHz信號(hào)之上
收集瞬態(tài)分析結(jié)果后，您可以使用傅立葉變換查看接收信號(hào)中的不同頻率分量如何在電路中傳播。以下結(jié)果顯示了從FM源接收到的EMI信號(hào)的傅立葉頻譜。如圖中的中央峰值所示，該電路設(shè)計(jì)為以1 MHz運(yùn)行。時(shí)域負(fù)載上的電壓被轉(zhuǎn)換成頻域，得到下圖。
運(yùn)行于1 MHz的電路的傅立葉頻譜，該電路接收1.2 MHz的FM EMI信號(hào)
這個(gè)簡(jiǎn)單的例子應(yīng)該說明使用EMI濾波器電路進(jìn)行濾波的重要性，特別是對(duì)于模擬電路。這些濾波器電路可以由分立元件設(shè)計(jì)，并包含在您的PCB布局中。一個(gè)更優(yōu)雅，更低成本的解決方案是使用接地過孔作為屏蔽。仔細(xì)規(guī)劃電路板的布局還可以通過利用疊層中的接地層來幫助抑制EMI。
脈沖源
顯然，可以在電路仿真中直接仿真雷擊之類的現(xiàn)象。但是，您可以對(duì)電路中感應(yīng)的電壓進(jìn)行建模，并評(píng)估您的過壓保護(hù)電路是否會(huì)產(chǎn)生低電流，如負(fù)載所見。任何具有低額定電流并且有故障風(fēng)險(xiǎn)的負(fù)載組件都應(yīng)使用某些電壓抑制電路進(jìn)行保護(hù)。
在原理圖中使用具有高峰值電壓的脈沖源將模擬系統(tǒng)中的強(qiáng)烈ESD事件。脈沖源可以放置在電路中的任何位置，以模擬放電事件的位置。然后，您可以使用直流掃描或高達(dá)kV的瞬態(tài)分析，并測(cè)量不同組件之間的電流，以模擬負(fù)載中感應(yīng)的電流。參數(shù)瞬態(tài)分析在這里非常有用，因?yàn)樗梢燥@示ESD事件如何隨時(shí)間衰減。
下圖顯示了瞬態(tài)SPICE EMC仿真的結(jié)果，其中TVS二極管和電容器用于保護(hù)TVS二極管的阻性負(fù)載。模擬的ESD事件的電壓為1.5 kV，但TVS二極管和電容器使該脈沖的幅度降低至約250V。
ESD事件的SPICE EMC仿真結(jié)果
為了進(jìn)一步分析，可以在參數(shù)掃描中掃描 ESD事件的幅度，以顯示瞬態(tài)響應(yīng)在負(fù)載下如何變化。還可以將負(fù)載中的功率與其額定功率進(jìn)行比較，以確定這種事件是否會(huì)導(dǎo)致負(fù)載故障。如下圖所示。由于SPICE仿真可以計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和電流，因此可以輕松計(jì)算負(fù)載組件中的功率并將其放置在圖中。從該圖可以看出，負(fù)載中消耗的功率約為5 kW，足以破壞大多數(shù)組件。
SPICE EMC仿真結(jié)果顯示了在ESD事件期間負(fù)載組件中的功耗
使用現(xiàn)場(chǎng)求解器進(jìn)行真實(shí)的EMC仿真
對(duì)電路進(jìn)行鑒定并準(zhǔn)備好檢查PCB布局后，您將需要使用3D場(chǎng)求解器來模擬操作期間設(shè)備發(fā)出的輻射。這是EMC認(rèn)證測(cè)試之前應(yīng)采取的第一步，以確保您的布局不會(huì)在電路板上產(chǎn)生集中輻射。多物理場(chǎng)解算器或全波EM解算器將直接從您的布局構(gòu)建模型，并在運(yùn)行時(shí)計(jì)算從電路板發(fā)出的電磁場(chǎng)。
在以上兩個(gè)示例中，通過定義電路中感應(yīng)的信號(hào)幅度來對(duì)接收到的EMI信號(hào)進(jìn)行建模。更加現(xiàn)實(shí)的EMI仿真將定義信號(hào)源的強(qiáng)度，然后將從PCB布局中計(jì)算出受害電路中感應(yīng)的EMI信號(hào)的幅度。這是3D場(chǎng)求解器的主要優(yōu)點(diǎn)-您無需猜測(cè)電路接收到的電壓大小。