电磁兼容仿真软件的分类

 

什么是电磁兼容仿真

高性能计算机技术和软件工程的飞速发展，为虚拟仿真现实世界的物理现象提供了可能。所谓软件仿真，就是将各种现实世界的物理现象和自然规律，归纳为数学方程和公式，再利用软件编程，转化为计算机能够处理的数值计算问题进行模拟的过程。从1960年美国加州大学伯克利分校诞生的第一个SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）程序开始，电子仿真软件（EDA）仿真几乎伴随着计算机和芯片技术的发展同步发展。1985年随着ANSYS公司（前Ansoft公司）第一款电磁场有限元仿真软件HFSS诞生，使用仿真软件模拟电路工作状态和电磁场传播特性，仿真电磁兼容问题成为可能。

电磁兼容本身包含两个概念：电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）。电磁干扰（EMI）是指由电磁现象引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰又分为传导干扰和辐射干扰两种：传导干扰是指通过导电介质把信号耦合（干扰）到另一个电网络；辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络，当频率高到信号线长度可比拟于信号波长时，辐射现象就比较显著，从而产生电磁辐射干扰。电磁兼容（EMC）是在有限的空间、时间和频谱资源下，各种设备共存而又不致引起性能降级的科学。

目前电磁兼容的标准分为国际标准、地区标准、国家标准、以及行业标准。国际标准包括国际标准化组织（ISO）标准，国际电工委员会（IEC）标准，和国际电工委员会无线电干扰特别委员会（CISPR）标准。地区标准如欧盟欧洲经济委员会法规（ECE Regulation）标准，美国联邦通讯委员会（FCC）标准，日本民间干扰控制委员会（VCCI）标准。国家标准主要包括中国标准化管理委员会（SAC）制订的 GB 国标相关标准以及国防科学技术工业委员会制定的军用设备标准 GJB。行业标准包括家电行业电磁兼容标准，汽车零部件和整车电磁兼容标准等。无论何种电磁兼容标准，目前电磁兼容的验证主要依赖原型样机测试认证。目前的电磁兼容测试认证包括了传导发射（CE），传导敏感度（CS），辐射发射（RE），和辐射敏感度（RS）测试。

电磁兼容问题，由于目标的尺寸和工作模式、频率不同，电磁噪声产生和传播的机理有很大不同。电磁兼容仿真软件无论在仿真规模还是仿真精度上，目前和可预见的一段将来都无法取代测试。即便如此，在不同的尺度上，针对特定的问题，采用合适的电磁兼容仿真软件并相互配合，提前预测待测设备的电磁辐射和兼容特性、定位问题的根源、并权衡各种改进

措施对系统电磁兼容性能改善的效果，可以大大节省测试和定位解决问题的时间和成本，并有效提升系统的电磁兼容特性。更重要的是，通过电磁场兼容仿真软件的学习使用，可以非常直观并有效的了解电磁兼容产生的机理和电磁噪声传播的方式，从而加深对电磁兼容问题的理解，从设计之初就重视并采取合理的设计规范。避免电磁兼容问题在最后样机测试认证或实际工作时刻发生。

电磁兼容仿真软件的分类

电磁兼容的仿真软件，从算法上大体上分为两类：一类以等效电路法，或者经验公式、经验规则检查类的软件；另外一类基于数值计算类的软件，二者各有特点。基于等效电路或经验规则的电磁兼容仿真软件，最大的特点是仿真速度快，使用相对简单，但是对于仿真目标结构，尺寸或工作方式有局限。这些软件在以前计算机运算速度和内存都比较有限，仿真软件计算能力较低的时期比较流行。

数值计算类的电磁兼容仿真软件，对仿真目标的结构，尺寸等普适性要好的多，但主要问题是仿真速度慢，效率低。为了突破计算效率的瓶颈，一方面需要有更强大的计算机资源，另一方面在软件算法方面进行突破。ANSYS公司的Ansoft系列电磁场和电路仿真软件，针对电磁兼容问题，在部件级推出一系列针对性的电磁场和电路数值计算软件，分别针对芯片和封装，SiP和PCB电路，开关电源部件和系统，电机及其控制系统，线束线缆，机箱和屏蔽结构，天线平台等进行建模和分析。此外，ANSYS的HPC高性能计算技术，还可以自动将大规模仿真问题拆分到网络上互联的多台计算机或大型计算机的各个计算节点并行仿真，突破单一计算节点CPU和内存的限制，不仅极大地扩大了可仿真问题的规模增加很大，而且提高了仿真效率。

电磁兼容仿真根据仿真目标的尺寸和工作模式、频率，分为多个层次的仿真。一般电磁兼容仿真包括四个层次：系统级，子系统级，设备级，部件级。

系统级

系统级

是指在整个待测设备整体的电磁兼容分析。系统级电磁兼容仿真主要研究系统设备布局中电磁隔离度评估，各个子系统电磁辐射指标分配，整机RCS等内容。系统级的电磁兼容分析，重点在于电磁场定性分析，通常求解目标尺寸很大——从几十米到几十千米，要求电磁兼容仿真软件有较强的高性能计算能力。

子系统级

是指在整机系统中相对独立的各个分机或单元的电磁兼容分析，如伺服子系统，信号处理机子系统，二次电源子系统等。子系统级电磁兼容分析，起到承上启下的作用 ―― 既关注从系统级分配的辐射指标 , 以及与其他子系统的相互干扰和电磁隔离度，也关注来自底层设备级和部件级的电磁辐射源、互联／屏蔽滤波等部件，组合在一起产生的系统电磁辐射。子系统级的电磁兼容分析，求解的目标尺寸一般比系统级要小一些，重点在于电磁场混合算法集成——既有具备电大尺寸和高性能求解，同时能够通过数据链接或特殊边界条件设置，集成来自设备级和部件级的电磁场仿真数据，在具备求解一定规模尺寸问题的前提下，兼顾设备和部件的细节。

设备级

设备级电磁兼容仿真主要研究各个单机的电磁辐射特性，包括构成单机的单板，电源，线缆和屏蔽机箱等，利用专用的电磁场和电路仿真软件，对各个设备在各种工况下的电磁辐射值进行模拟分析。设备级电磁兼容分析，重点在于专用电磁场仿真工具和通用电磁场仿真工具的结合，电磁场仿真工具与电路系统仿真工具的结合。一方面，专用的电磁场仿真工具可以方便的对线束，封装，电机，变压器等三维结构建模或者提供方便的接口直接导入PCB版图或连接器模型进行分析，并与通用电磁场仿真工具配合实现集成化仿真；另一方面，电路和系统仿真工具可以导入或者建立有源器件的SPICE或IBIS行为级模型，并设置工作频率和工作模式，与不同电磁场工具配合，实现设备级电磁辐射分析。

部件级

部件级电磁兼容仿真研究PCB单板、电机、变压器、开关电源电路、屏蔽结构、线束线缆、连接器等各个部件的电磁辐射或屏蔽隔离特性。部件级电磁兼容仿真主要使用各种专用电磁场仿真工具，导入或者建立部件模型，仿真电磁传播和屏蔽特性，对部件设计和选型提供参考依据。

ANSYS电磁兼容仿真解决方案

ANSYS的电磁仿真平台包括：封装和PCB电磁场仿真环境；线缆连接器电磁场仿真和参数提取环境；电机和变压器电磁场仿真，机电控制系统设计仿真环境；机箱结构屏蔽和子系统电磁场兼容仿真环境；静电防护和雷击等瞬态电磁场仿真环境；复杂平台的系统级电磁兼容设计环境；第三方设计软件接口；以及高性能计算、参数扫描与优化，工程管理（EKM）等选项。这个平台可以覆盖目前电子设备中，各个部分电磁兼容仿真需要。

 

ANSYS电磁场仿真平台包括的软件模块有：

电路、系统仿真工具Designer；

高速 PCB 和封装电磁兼容仿真和优化工具SIwave；

PCB 设计前和设计后的电磁兼容自动优化工具PI_Advisor；

机电系统仿真工具Simplorer；

三维连接器和电缆电磁兼容仿真工具Q3D；

电源模块建模工具PExpert；

电机和电源器件电磁场仿真工具Maxwell；

机箱结构屏蔽和系统电磁场兼容仿真环境HFSS；

防静电和雷击可视化时域电磁场仿真工具HF-Transient；

自由空间电磁场积分和物理光学方程求解器HF-IE；

与第三方CAD和EDA设计工具之间的接口ALinks；

用于优化、参数扫描和敏感度分析的模块Optimetrics；

HPC高性能计算模块，可以利用网络上的多台计算机资源加速仿真；

ANSYS EKM知识管理平台，用户化CAE数据/知识抽取和用户化报告生成和归档。

ANSYS电磁兼容仿真软件适用于进行航空、航天、船舶、车辆、机车、通信等行业电子系统中各类电磁兼容问题的研究，包括电子设备布局，PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容协同设计优化，机箱屏蔽效能和孔缝电磁泄露，线束线缆的耦合噪声和电磁辐射，开关电源电磁干扰设计，天线杂散干扰和目标特性研究，雷击和强电磁脉冲干扰防护，ESD防护等多各领域。仿真结果可以直接与GJB151A等测试标准进行对比，从而在虚拟样机阶段评估设计的电磁兼容裕量。ANSYS电磁兼容仿真软件拥有如下突出特点：

多尺度多层次，通用工具与专用工具相结合，实现从封装PCB到船舶卫星的全系统仿真；

电磁场，电路与系统协同仿真，把握电磁兼容和电磁干扰中辐射源和传播路径仿真的关键点；

支持高性能计算，快速仿真大规模和宽带复杂问题；

多物理场耦合仿真，协调电磁兼容与流体、散热和结构振动、应力等之间的关系。

ANSYS电磁兼容仿真方案，在技术层面上，包括了硬件设计全流程中的系统设计，电路设计和器件选型，从研究电磁兼容的关键环节入手，通过系统全面的仿真，解决电磁兼容和干扰问题，同时还兼顾散热和结构震动等多物理域可靠性设计；在流程层面，强调系统电磁兼容指标的合理分配，系统与器件的协同设计，电磁兼容设计流程的固化和设计仿真经验的积累；在实施部署上，能够兼顾分散式个人设计模式和团队设计模式，提供集中的基于高性能计算的仿真资源分配能力和基于分布式云存储的仿真知识管理模式。
        责任编辑：彭菁