优化复杂系统EMC性能的关键仿真策略

在现代电子系统和设备的研发过程中，电磁兼容（emc）性能至关重要。它不仅关乎设备自身能否在复杂的电磁环境中稳定运行，还决定了设备是否会对周围其他设备产生无法忍受的电磁干扰。EMC问题的复杂性在于其涉及三大核心要素：干扰源、耦合路径和受扰对象。任何一个要素出现问题，都可能导致整个系统的电磁兼容性失败。因此，如何高效地进行EMC仿真，以优化复杂系统的EMC性能，成为工程师们亟待解决的关键问题。
一、EMC仿真的必要性与挑战


EMC仿真的核心目的是通过虚拟建模和分析，提前预测和优化设备的电磁兼容性。一方面，它可以帮助产品通过相关标准的认证，确保产品能够顺利进入市场；另一方面，它能够有效提高产品的EMC性能，避免因电磁干扰导致的设备工作异常，从而提升产品的可靠性和用户体验。
然而，EMC仿真面临着诸多挑战。复杂系统中可能包含多种干扰源、复杂的耦合路径以及不同性能表现的受扰对象。从芯片、开关器件、PCB、线缆到滤波器件、外壳、材料、天线，甚至测试暗室等，每一个环节都可能成为建模的对象。如果试图完整地对整个系统进行建模，将导致庞大的仿真数据和巨大的计算量，不仅效率低下，而且难以快速定位问题。
二、合理的EMC仿真思路
在面对复杂的EMC问题时，工程师需要选择一种合理且尽量简便的仿真思路。通常情况下，可以采用局部对象建模分析的方法，建立简易的仿真模型，快速提炼出有利于改善整机EMC性能的优化措施。例如，通过单独对噪声源进行电路建模及滤波优化分析，降低噪声源强度；或者从空间辐射路径的角度优化设计，对产品外壳进行电磁屏蔽分析，提升外壳设计的屏蔽效能；还可以对辐射体进行空间布局分析，仿真优化线缆的辐射等。这些方法的优点是简单、便捷且易于定位问题，能够快速给出优化方向。
当然，如果需要仿真结果与EMC测试结果高度匹配，那么就需要对整机90%以上的关键对象进行建模仿真。虽然这种方法能够更全面地反映系统的EMC性能，但其缺点是数据量大、建模复杂、计算耗时，且问题定位相对困难。
三、EMC仿真中的三大耦合路径分析
（一）传导耦合
传导耦合是EMC中常见的耦合方式之一，其过程是信号或噪声通过导体（如信号线缆、电源线缆、接地导体、PCB上的铜箔等）传导干扰到受扰对象。解决传导耦合问题的关键在于在干扰进入敏感设备之前，利用滤波方法从导线上除去噪声。
在仿真建模时，需要考虑噪声传播的回路导体建模以及整个传导链路中的各类器件。可以利用ANSYS场路协同的理念，将完整的传导回路利用电磁场仿真工具（如SIwave/HFSS/Q3D）抽取等效模型（如Spice/S参数等），并结合电路器件模型（如TVS、共模电感、滤波器、RLC、IC、IGBT、MOSFET、LISN等）在电路系统（如Twin Builder/Circuit）中建立仿真电路系统模型进行电路仿真。通过这种方式，可以获取电路的传导发射（CE）结果，包括共模、差模的干扰频谱。根据仿真结果分析，评估产品是否存在传导干扰的设计风险，并及时在电路系统中进行优化改善，如添加高频滤波器、共模电感等来削弱传导干扰。


（二）辐射耦合
辐射耦合是通过空间将一个电网络上的骚扰噪声耦合到另一个电网络上，通常属于频率较高的部分。当传导中的噪声频率达到一定程度时，某些导体结构会表现出天线效应，将传导的电磁能量通过空间辐射出去，从而对其他电路或设备产生干扰，甚至导致EMC认证失败。高频的传导问题通常都伴有辐射问题，因此在进行辐射发射仿真时，需要同时考虑传导的影响。
辐射发射仿真可以采用场路协同的思路，利用电磁场软件（如HFSS/SIwave）计算电路传导效应的同时，计算辐射问题。通过仿真可以查看相关的辐射参数结果，如空间场分布、3米法/10米法辐射强度、辐射方向图等。参考相关标准，可以评估电路的辐射发射等级、辐射热点频率及辐射相关位置等信息，为工程师进行辐射发射整改提供可视化的量化参考依据。从阻隔辐射耦合路径的角度优化EMC性能，可以单独对外壳进行屏蔽性能仿真优化，从而提升整机对外辐射发射性能。


（三）感应耦合
感应耦合主要发生在导体之间以及某些部件之间（如变压器、继电器、电感器等），可分为电感应耦合和磁感应耦合两种。电感应耦合的基本原理是源电路上的电压产生电场，与敏感电路相互作用后，出现电感应耦合（容性耦合），即两个电路之间存在等效耦合电容，噪声通过这个耦合电容传递到被干扰对象上。感应强度与源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗等因素相关。磁感应耦合（感性耦合）则是由于变化的电流产生磁通，使源电路与敏感电路之间存在链环，从而出现磁感应耦合，即两个电路之间存在等效耦合电感。感应电流强度与源电流、频率、导体几何形状和电路阻抗等因素相关。
针对感应耦合问题的仿真，可以采用场路协同的思路，通常利用低频电磁场仿真软件（如Maxwell/Q3D）进行无源部件的建模分析，提取无源模型并结合其他器件模型，在电路系统中建立完整的感应耦合电路，仿真相应的感应噪声强度，并分析对应的优化改善措施。
四、EMC仿真的灵活性与优化目标
EMC仿真相对其他领域的仿真具有较高的灵活性。不同的工程师对同一个产品问题进行EMC仿真时，可能会采用不同的建模思路和方法，因此仿真结果也会有所不同。然而，重点在于能否为产品设计带来正向的优化措施，避免潜在的EMC设计风险，或改善EMC性能。无论是进行哪种类型的EMC仿真，如辐射发射（RE）、传导发射（CE）、辐射抗扰度（RS）、电快速瞬变脉冲群抗扰度（EFT）、静电放电抗扰度（ESD）、电磁脉冲抗扰度（EMP）、浪涌抗扰度（SURGE）等，都可以从噪声耦合路径的角度进行仿真分析。
五、电磁兼容的标准
为了确保设备和系统的电磁兼容性，各国和国际组织制定了许多EMC标准。这些标准规定了设备和系统的电磁辐射限值、抗扰度测试方法等。例如：
l CISPR标准：由国际无线电干扰特别委员会（CISPR）制定，主要涵盖设备的电磁辐射和抗扰度测试。
l IEC 61000系列标准：由国际电工委员会（IEC）制定，涵盖了电磁兼容的各个方面，包括电磁干扰、抗扰度和测试方法。
l EN标准：由欧洲标准化委员会（CENELEC）制定，涵盖了电磁兼容的各种要求。

民品类标准
GB开头为国家强制类标准，GB/T为推荐类标准。

汽车电子类标准
六、结论
EMC仿真在现代电子系统和设备的研发中具有重要意义。通过合理选择仿真思路，结合局部对象建模分析和场路协同的方法，工程师可以高效地优化复杂系统的EMC性能。无论是针对传导耦合、辐射耦合还是感应耦合，都可以通过仿真分析找到问题的关键点，并采取相应的优化措施。尽管EMC仿真具有一定的灵活性和复杂性，但其核心目标始终是为产品设计提供正向的优化建议，确保产品能够顺利通过EMC认证，同时提高产品的可靠性和用户体验。



本条内容由“曾老师”选编。如有任何反馈，请留言给我们。