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技術(shù)專題
PCB設(shè)計中建模接收到的EMI
收到EMI時，會在電路中產(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)雜的時間相關(guān)響應(yīng)。瞬態(tài)分析在這里也很有用，因為它向您展示了電路如何響應(yīng)外部EMI源中的時間變化。在這里，您不必?fù)?dān)心EMI源如何將信號耦合到電路中。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，考慮一個以1 MHz（5 V幅度）運行的模擬電路，該電路從外部源接收1.2 MHz FM信號作為EMI。在下面顯示的示例中，接收到的EMI信號的載波頻率為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信號的調(diào)制似乎疊加在所需的1 MHz信號之上
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信號的傅立葉頻譜。如圖中的中央峰值所示，該電路設(shè)計為以1 MHz運行。時域負(fù)載上的電壓被轉(zhuǎn)換成頻域，得到下圖。
運行于1 MHz的電路的傅立葉頻譜，該電路接收1.2 MHz的FM EMI信號
這個簡單的例子應(yīng)該說明使用EMI濾波器電路進(jìn)行濾波的重要性，特別是對于模擬電路。這些濾波器電路可以由分立元件設(shè)計，并包含在您的PCB布局中。一個更優(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，您可以對電路中感應(yīng)的電壓進(jìn)行建模，并評估您的過壓保護(hù)電路是否會產(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，因為它可以顯示ESD事件如何隨時間衰減。
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導(dǎo)致負(fù)載故障。如下圖所示。由于SPICE仿真可以計算每個節(jié)點的電壓和電流，因此可以輕松計算負(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)場求解器進(jìn)行真實的EMC仿真
對電路進(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)證測試之前應(yīng)采取的第一步，以確保您的布局不會在電路板上產(chǎn)生集中輻射。多物理場解算器或全波EM解算器將直接從您的布局構(gòu)建模型，并在運行時計算從電路板發(fā)出的電磁場。
在以上兩個示例中，通過定義電路中感應(yīng)的信號幅度來對接收到的EMI信號進(jìn)行建模。更加現(xiàn)實的EMI仿真將定義信號源的強度，然后將從PCB布局中計算出受害電路中感應(yīng)的EMI信號的幅度。這是3D場求解器的主要優(yōu)點-您無需猜測電路接收到的電壓大小。