工程师必备的电磁干扰EMI和电磁兼容EMC自动化模拟工具

工程师必备的电磁干扰EMI和电磁兼容EMC自动化模拟工具

      对于设计工程师，有多种替代自动EMI / EMC工具，包括检查PCB（印刷电路板）是否能够满足预定设计规则的设计规则检查器，可用于提取电感，电容参数的准静态模拟器当元件的尺寸远小于工作波长时，电阻和电阻，用于通过基于解析方程的计算机计算简单应用的快速计算器，以及全波数值模拟技术。这些自动化工具可用于解决不同设计步骤中的不同EMI / EMC问题。但是，没有任何自动化工具能够分析整体设计并准确预测将发生在系统中的问题。

PCB规则检查工具
      PCB设计非常复杂，涉及到许多层和线，对于工程师来说，手动检查每个EMI / EMC密钥网络的路由非常困难和无聊。自动化工具能够从CAD文件中提取PCB设计，并向用户报告违反设计规则的位置。一般而言，这些软件工具可以允许用户将设计规则预先确定为限制条件，甚至可以在可用PCB技术和速度的条件下创建新规则。

      PCB规则检查器可以在PCB设计期间重复应用，以确保设计不违反重要的EMC规则，如果仅在终设计步骤中检查PCB，则根据规则进行修改可能需要很长时间甚至无法实施。在设计期间对PCB设计的检查导致避免基于以下EMC规则的大规模修改。

      PCB设计规则检查器以非常大的速度运行并检查每个PCB的设计规则，这些工具只是简单地为用户提供了一些提示，并且未能根据违反规则的严重性顺序提供指令，一些PCB软件检查工具能够将规则破坏现象与反映信号数据速率和规则破坏程度的信息联系起来，有利于设计人员消除规则破坏的具体发生。

电磁兼容测试模拟工具
      应用仿真工具来精确分析整个系统的一小部分，无论供应商提供多么出色的屏幕捕获，目前的EMI / EMC建模工具都无法完成“所有工作”，因为建模无法取代软件工程师，而且它只是EMI / EMC工程师使用的工具之一。EMI / EMC工程师需要确定哪些设计部件需要正向分析和建模。

      一般而言，需要在未解决的问题上建立多级模型，并且后一级的模型的模拟结果向下一级的模型提供输入信息。该方法通过分别处理每个部分中的特殊问题并对结果进行积分来优化模型。因此，与一次太“强力”的建模相比，多级仿真能够分析更大规模的问题。此外，EMI / EMC工程师需要更好地了解问题和建模技术，以便找到更多的多级仿真分工点。

1、准静态模拟器
      准静态模拟器用于提取系统组件的电感，电容和电阻参数，例如连接器的电参数，然而，组件的尺寸必须远小于具有大频率的谐波的波长。这种类型的工具能够快速计算等效电路的参数，并且参数可以应用于电路仿真器中比如SPICE。准静态条件的实现条件之一在于要求建模对象必须具有小的电气尺寸。这种类型的模拟包括电场和磁耦合而没有波的传输延迟，这是因为该建模对象具有如此小的电尺寸以至于不能引起电场和磁场之间的耦合的延迟。如果组件不能满足小尺寸的要求，则必须应用全波建模方法。

2、全波模拟工具
      与准静态模拟器不同，全波模拟工具不需要对元件进行小的电气尺寸，相反，麦克斯韦方程式在没有简化的情况下得到了完全解决，并且有多种类型的样式可用于全波电磁建模技术。作为好的仿真技术，全波仿真工具已经成为开发人员和教育工作者常用的仿真工具，同时它也获得了多的论证。许多全波模拟技术仅适用于特定结构，并且针对不同问题的计算方法修改是如此复杂。一般不应用某些全波模拟技术，需要在电磁知识和建模技术方面有深刻的理解。此外，

      不同的全波模拟技术在不同方面具有优势，佳建模技术是找到适合某个问题的特定模拟要求，普遍的EMI / EMC全波仿真建模技术包括矩量法（MoM），有限差分时域（FDTD）技术，有限元法（FEM），传输线矩阵（TLM）和部分元件等效电路（PEEC）技术。这些不同的全波模拟技术实际上是麦克斯韦方程的不同表现形式。

      例如，MoM应用麦克斯韦方程的积分方程，需要将导体/金属切割成具有小电气尺寸的单元（导体的每个级上的电流应该是恒定的）。可以通过源计算其他组件单元上的电流和所有电流。一旦获得所有导体单元上的电流，就可以终计算出总的产生的电场和/或磁场。

• FDTD：麦克斯韦方程中的微分形式应用于FDTD，相邻介质为空气，并且通过金属和电介质的组合进行通用建模。与模拟对象兼容的空间被分成具有小电尺寸的体积元素。每个体积元素由介电常数（ε），磁导率（μ）和电导率（δ）定义。顾名思义，FDTD主要应用于时域，因此模型能够接收以脉冲为激励函数的宽带响应。在FDTD仿真之后，时域解可以转换为频域解。

• FEM：它是麦克斯韦方程中的另一种形式，其典型应用是频率解。同样，模型中的空气和所有其他材料必须分成电气尺寸小的单元。通过FEM应用变分技术来解决麦克斯韦方程。

• TLM：作为麦克斯韦方程组的另一种形式，典型应用在于时域解决方案。基本上，建模对象的空间区域被划分为多个3D传输线节点，在每个传输线节点上可以通过节点阻抗来推断传输/反射。每个单元与一个节点兼容。

• PEEC：该技术是EMI / EMC领域中新的全波方法，在麦克斯韦方程中具有整数形式，其中单位场之间的所有关系都被电路关系取代。所有单元之间的连接通过局部互感和电容实现。诸如SPICE的求解器用于模拟整个电路，并且解决方案将电流和电压参数转换为诸如MoM的字段。

      到目前为止，仿真工具变得如此强大，以至于工程师必须依赖它们，但是，它们无法取代工程师对电磁和EMI / EMC设计的基本理解。对于初级仿真，建议新手工程师进行一些培训并参考一些学习材料，掌握如何将整个产品/设备划分为多个仿真模块并解释仿真结果。

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