SIMULIA CST 扭轉乾坤|PCB與接地層之間耦合的EMC仿真
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SIMULIA CST 扭轉乾坤|PCB與接地層之間耦合的EMC仿真

發(fā)布時(shí)間:2024/3/20 來(lái)源:杰索 459

在本文中,我們展示了基于SIMULIA CST的仿真能如何幫助提高產(chǎn)品的發(fā)射性能。我們對印刷電路板(PCB)和參考層中信號走線(xiàn)之間的耦合進(jìn)行分析,因為其通常是電磁兼容性(EMC)測量中值得關(guān)注的結果。我們針對傳導發(fā)射探討所展示的結果,不過(guò)其可以擴展至輻射發(fā)射。





傳導發(fā)射測試背景


傳導發(fā)射(CE)測試包含對線(xiàn)路中的電流或線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )(LISN)中端口電壓的測量。在汽車(chē)領(lǐng)域,測試裝置由被測設備(EUT)、電線(xiàn)、LISN、電磁干擾(EMI)接收器、CAN等通信設備、負載(若需要)以及接地層組成,接地層代表汽車(chē)底盤(pán)和電壓參考。

圖1描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的測試裝置:Vbat和GND分別代表電源正極性和負極性的導線(xiàn)。在我們的案例中,EUT是一個(gè)簡(jiǎn)單的“印刷電路板”(PCB),不過(guò)其可以代表任何其他電氣或電子系統。CE測試過(guò)程中的EMC性能包括將測得的電壓/電流與CISPR25等標準定義的限值進(jìn)行比較,此標準是汽車(chē)領(lǐng)域應用最廣泛的標準。在我們的案例中,我們重點(diǎn)關(guān)注電壓方法。測量的選擇并非一種限制,因為依據電壓法和電流法的測試是等效的。

圖1:用于傳導發(fā)射測試的EMC測試裝置



被測設備(EUT)說(shuō)明

在本研究中,EUT是一個(gè)簡(jiǎn)單的PCB,其包含多個(gè)接地層,并且有一條由信號激發(fā)的走線(xiàn)。我們利用它來(lái)說(shuō)明走線(xiàn)和接地層之間的耦合,同時(shí)解釋相關(guān)布局如何影響這種耦合。我們研究三個(gè)案例:



01

案例1包含一個(gè)2層PCB。激發(fā)的走線(xiàn)位于底層。頂層是PCB接地參考層(參見(jiàn)圖2)。


02

案例2包含一個(gè)4層PCB,而激勵走線(xiàn)位于兩個(gè)用于傳播信號的實(shí)心PCB參考層之間(參見(jiàn)圖3)。



03

案例3與案例2相同,不過(guò)走線(xiàn)正下方底層有一個(gè)小孔(參見(jiàn)圖4)。

圖2:案例1 PCB插圖,PCB底視圖


圖3:案例2 PCB插圖,PCB底視圖


圖4:案例3 PCB插圖,PCB底視圖


案例2與案例3被簡(jiǎn)化為三層而非四層。事實(shí)上,L4經(jīng)過(guò)抑制可以簡(jiǎn)化相關(guān)模型,同時(shí)降低相關(guān)結果的解釋難度。因為L(cháng)3和L4之間不存在噪聲源,并且它們之間可能存在的電壓可以忽略,所以這種簡(jiǎn)化并不影響最終結果。此外,接地層也可以成為通過(guò)去耦電容器連接的電源層。在我們的案例中,電容器被視為理想器件,并且各層通過(guò)多個(gè)過(guò)孔相互連接,以確保它們之間具有最小阻抗。因此,三層的PCB模型可以代表完整的四層系統。

PCB為矩形,尺寸為21厘米*10厘米,而走線(xiàn)長(cháng)度為21厘米,線(xiàn)走寬度為0.25毫米,如圖5所示。

圖5:PCB尺寸與跡線(xiàn)長(cháng)度



傳導發(fā)射測試裝置

該裝置由PCB以及由20厘米長(cháng)的線(xiàn)路將PCB參考層連到LISN阻抗的連接組成。電源通常通過(guò)兩條線(xiàn)路連接到PCB:一條用于正極性,另一條用于負極性。在我們的研究中,我們僅用一條接地線(xiàn)來(lái)替代這三條電源線(xiàn)。 

此次研究中僅考慮共模,因為這是用于耦合的最主要模式。事實(shí)上,正負線(xiàn)路之間的輸入阻抗可以忽略不計。它們通常通過(guò)電容器進(jìn)行連接,其在此次研究中假定是理想器件。

測試裝置的3D模型如圖6所示。電路板垂直放置,走線(xiàn)位于底層,而接地線(xiàn)連接到頂層。PCB與接地層之間沒(méi)有局部接地連接。

圖6:測試裝置的3D模型



噪聲源與終端

走線(xiàn)由來(lái)自緩沖器或微控制器的信號激發(fā),并由固定阻抗終止。它對時(shí)鐘或具有某些高頻分量的通信信號進(jìn)行建模。在仿真過(guò)程中,激勵是處于100kHz~300MHz頻段的寬帶電壓源。終端是一個(gè)50kΩ的電阻。對于所研究的頻段,終端阻抗的精確值無(wú)關(guān)緊要,不過(guò)其具有足夠高的值,以便使電容耦合占據更加主導的作用。



仿真方法

對于3D仿真,采用全波頻域(FD)求解器。其是分析100kHz~200MHz頻段內PCB的最佳選擇。首先采用FD求解器實(shí)現3D模型的構建、網(wǎng)格化和求解。然后,我們采用基于CST Studio Suite原理圖的協(xié)同仿真、根據3D仿真的結果進(jìn)行電路仿真。

相關(guān)配置是根據連接到我們希望分析的每個(gè)端口的阻抗與組件單獨進(jìn)行定義的。也就是說(shuō),我們可以在無(wú)需重復求解3D模型的情況下修改終端與驅動(dòng)值并獲取LISN電壓。這樣可以顯著(zhù)縮短仿真時(shí)間。另外,在協(xié)同仿真設計流程中,我們可以在考慮所有驅動(dòng)與終端電路的情況下利用“合并結果”功能來(lái)計算3D模型中的電流與電磁場(chǎng)。這種可視化功能對于開(kāi)展研究非常實(shí)用。其可以深入分析每個(gè)仿真配置的耦合過(guò)程。所研究的電路很簡(jiǎn)單,如圖7所示。

圖7:“兩層”案例1和“三層”案例2的仿真電路


我們注意到,在仿真案例中,GND線(xiàn)路直接連接到PCB,不過(guò)其可以通過(guò)“共模電感”(CMC)等任何阻抗斷開(kāi)或連接,因為許多設計方案中都是這種情況。



仿真結果

當走線(xiàn)被1V寬帶噪聲源激勵時(shí),我們使用交流分析來(lái)分析LINS上的電壓。獲得的結果如圖8所示。在“單層”案例1中,耦合比是78dB,也就是說(shuō),對于走線(xiàn)施加1V電壓時(shí),我們在20MHz頻率得到42dBμV,其超越了CISPR 25傳導發(fā)射第5類(lèi)“窄帶噪聲”的要求。此電平在“雙層”案例2中降低到非常低的-58dBμV。在“帶孔走線(xiàn)”案例3中,耦合電平是25dBμV,它意味著(zhù)與案例2相比提高了83dB。事實(shí)上,根據CISPR 25第5類(lèi)的要求,案例3代表傳導發(fā)射存在高風(fēng)險。整個(gè)結果表明,走線(xiàn)上下方接地層的小孔會(huì )削弱我們采用3或4層已經(jīng)達到的82dB(從-58dBμV到25dBμV)改善的效果,而不采用3D仿真很難做出這個(gè)推論。

圖8:根據LSIN阻抗計算的案例1、案例2和案例3的電壓



耦合機理分析

此時(shí)立即出現的第一個(gè)問(wèn)題是:PCB與接地層之間僅僅存在一條連接,LISN中為何會(huì )存在電流?我們可以使用20MHz的電場(chǎng)監控器來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題,請參見(jiàn)圖9。我們可以明確地看出PCB與接地層之間存在電場(chǎng)。此電場(chǎng)的變化會(huì )通過(guò)PCB與接地層之間的雜散電容感應出位移電流,如圖10所示。此位移電流會(huì )在LISN阻抗中感應出電壓。 

圖9:案例1在20MHz下的場(chǎng)監控器

圖10:PCB與接地層之間的電容耦合


當走線(xiàn)如案例2那樣敷設在兩個(gè)接地層之間,則走線(xiàn)與接地層之間的耦合會(huì )得到顯著(zhù)降低。事實(shí)上,走線(xiàn)與接地層之間的耦合顯著(zhù)提高,而且會(huì )改變內層之間的局部電流分布。由于電場(chǎng)被限制在走線(xiàn)與PCB層之間,因此PCB層的外表面不存在電流,而且它們與接地層之間也不存在電場(chǎng)。這減少了PCB與接地層之間的耦合。


圖11:降低耦合的插圖

當PCB層如“案例3”那樣包含位于走線(xiàn)上方的小孔,則耦合電平接近“單層”案例1的電平,如圖12所示。差值只有33dB。顯然,該值隨著(zhù)小孔的位置和尺寸發(fā)生了變化。


圖12:三個(gè)案例20MHz時(shí)的電場(chǎng)




結論

我們采用3D仿真來(lái)研究傳導發(fā)射測試裝置中PCB與接地層之間的耦合。結果表明,由高阻抗端接的走線(xiàn)可以在它與接地層之間產(chǎn)生電場(chǎng),從而可以在LISN阻抗上感應出位移電流與電壓。當走線(xiàn)是在兩個(gè)內層之間布線(xiàn)時(shí),它可以顯著(zhù)降低這種耦合。不過(guò),走線(xiàn)上方或下方的接地層存在小孔的情況下會(huì )大幅削弱改善的效果。這個(gè)結論令人十分意外:即使是PCB一個(gè)小區域上方存在的一個(gè)小孔也會(huì )顯著(zhù)降低改進(jìn)效果。利用建議的仿真工作流程,可以非常直接地研究備選配置,例如:修改PCB的驅動(dòng)與終端阻抗或修改其布局。







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