Symulacje EMC z pakietem CST Studio Suite

Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) jest nie tylko wymaganą formalnością, ale także podstawą niezawodności każdego produktu oraz jego sukcesu rynkowego. W tym wpisie dowiesz się o korzyściach płynących z symulacji EMC za pomocą oprogramowania do symulacji elektromagnetycznych CST Studio Suite. 

Dowiesz się również, jakie formaty plików są obsługiwane, aby projekt symulacji mógł zostać skonfigurowany tak szybko i dokładnie, jak to możliwe. W niniejszym poście rozpatrzona zostanie konstrukcja zasilacza impulsowego do zobrazowania procesu symulacji emisji, ponieważ jest to wymóg powszechnie analizowany pod kątem wydajności EMC danego sytemu.  

Dlaczego warto symulować układy i urządzenia pod względem kompatybilności elektromagnetyczną (EMC)? 

Produkty elektryczne muszą być zgodne z dyrektywami EMC/EMI, zanim zostaną dopuszczone do sprzedaży. Ma to na celu upewnienie się, że produkt nie powoduje zakłóceń w innych systemach elektrycznych czy elektronicznych (wymaganie dotyczące emisji) oraz zapewnia odporność urządzenia na zakłócenia elektromagnetyczne (wymaganie dotyczące odporności). 

Zgodność jest zwykle weryfikowana poprzez realizację szeregu standardowych badań w zewnętrznym akredytowanym ośrodku po kończeniu fazy testów produktu. Niestety, wiele produktów nie przechodzi pierwszego testu zgodności EMC. Zamiast więc wprowadzać dany produkt na rynek, należy go przeprojektować. 

Jest to oczywiście kosztowne, wpływa na czas wprowadzenia produktu na rynek, a rozwiązywanie problemów i przeprojektowywanie staje się czynnością o najwyższym priorytecie. W celu zmniejszenia liczby niespodzianek na tak późnym etapie rozwoju produktu, coraz więcej firm korzysta z symulacji, aby zmniejszyć ryzyko oblania testów EMC. 

Korzyści płynące z zastosowania symulacji EMC obejmują m.in.: 

• możliwość zbadania projektu przed wyprodukowaniem pierwszego prototypu, 

• poszerzenie wiedzy o produkcie poprzez wizualizację pól elektromagnetycznych, 

• korzystając z wirtualnego prototypowania, można ocenić więcej iteracji projektu w porównaniu z konwencjonalnym trybem projektowania.
   

Symulacja pomaga nam również w porównywaniu dwóch różnych konstrukcji projektowych. Czy rozkłady pola elektromagnetyczne będą zachowywać się zgodnie z oczekiwaniami lub czy hałas został ostatecznie wyeleminowany?  

Jakie oprogramowanie należy używać do symulacji EMC? 

Niektórzy projektanci odrzucają symulacje EMC, ponieważ uważają je za zbyt trudne i skomplikowane. Jednak w ostatnich latach nastąpił duży postęp w obszarze symulacji EMC. Na podkreślenie zasługuje, że symulacje EMC za pomocą pakietu CST Studio Suite są dojrzałe i mają dobrze ugruntowany Workflow. 

CST Studio Suite zawiera 3D pełnofalowe solwery, które w pełni rozwiązują równania Maxwella, dzięki czemu nie ma potrzeby szacować wartości parametrów pasożytniczych, ścieżek sprzężenia w urządzeniu. Dostępna jest szeroka gama możliwości importu układów, w tym można importować systemy PCB z większości narzędzi EDA/ECAD przy użyciu formatów plików ODB++ lub IPC-2581. W celu zwiększenia szybkości symulacji oraz zmniejszenia złożoności problemu, można zaimportować tylko odpowiedni fragment płytki drukowanej, korzystając np. z wyboru obszaru, sieci lub warstwy. Pozwala to na symulację różnych podsystemów PCB niezależnie. 

Oprogramowanie CST posiada również rozbudowane opcje importu plików 3D MCAD, w tym import z takich programów jak SOLIDWORKS, CATIA lub innego programu CAD. Gdy geometria 3D produktu zostanie zaimportowana do pakietu CST Studio Suite, należy dodać komponenty do części obwodowej w widoku, gdzie znajduje się schemat danego projektu symulacji. 

Nie zaleca się dołączania wszystkich komponentów PCB. Wystarczy uwzględnić te, które będą miały wpływ na funkcjonalność wybranego podsystemu. Modele komponentów można importować np. jako komponenty SPICE, IBIS lub Touchstone. 

W testach laboratoryjnych (fizycznych) EMC włączasz urządzenie i otrzymujesz wynik pozytywny lub negatywny. Podczas, gdy w pracy z symulacjami zaleca się wybranie podsystemu, który chcemy zbadać. Choć może się to wydawać problemem na miarę igły w stogu siana, większość projektantów dobrze rozumie swój produkt i wie, które podsystemy mają największe ryzyko oblania testu EMC. 

Chociaż istnieje duża liczba możliwości analizy układu w obszarze symulacji EMC, które należy przeprowadzić w pierwszej kolejności, symulacje emisji przewodzonych są doskonałym punktem wyjścia. 

Rysunek 1. Schemat i płytka drukowana przetwornika obniżającego napięcie używanego do symulacji EMC 

Napięcie wejściowe Vbat wynosi 12 V, a napięcie wyjściowe 5 V. Czerwone stożki na płycie PCB reprezentują porty, które są używane w programie CST do łączenia modelu FE z modelem obwodowym. Na rysunku 2 pokazano schematyczny widok projektu symulacji CST. Jak widać, każdy port w modelu 3D jest reprezentowany przez pin na bloku 3D na schemacie. Piny te są używane do łączenia modeli komponentów z modelem 3D. 

W tym przykładzie wszystkie komponenty są reprezentowane przez modele SPICE. W porównaniu ze schematem funkcjonalnym na rysunku 1 brakuje tylko jednego komponentu, a jest nim sterownik MOSFET, U1. Zamiast tego sygnały sterujące do R1 i R5 są zdefiniowane przez komplementarne sygnały czasowe, zdefiniowane przez napięcie minimalne i maksymalne, czasy narastania i opadania, cykl pracy oraz częstotliwość przełączania. 

W dolnej części schematu znajduje się sieć stabilizacji impedancji linii (LISN), która przypomina konfigurację pomiarową. Na schemacie znajdują się również liczne sondy umożliwiające monitorowanie napięć i prądów w różnych węzłach. Użycie symbolu uziemienia na poniższym schemacie może wydawać się nieco dziwne, ale schemat jest poprawnie skonfigurowany do użytku w pakiecie CST Studio Suite. 

Przed uruchomieniem symulacji należy określić zakres częstotliwości symulacji. W tym przypadku solver jest skonfigurowany do pracy w zakresie od 0 do 300 MHz. Ma to na celu zapewnienie, że harmoniczne zasilacza SMPS będą widoczne w symulacji. Na rysunku 3 wyświetlane są sygnały napędu, napięcie wejściowe i wyjściowe, a także napięcie w węźle LISN-P. 

Na animowanym obrazku poniżej widać pole H płytki drukowanej przy częstotliwości 1,25 MHz, która jest częstotliwością przełączania sygnałów sterujących. 

Symulacja emisji promieniowanych 

Konfiguracja symulacji emisji promieniowanych jest bardzo podobna do konfiguracji symulacji emisji przewodzonych. Płytka drukowana jest importowana w ten sam sposób co wcześniej, a model obwodowy odpowiada wcześniejszemu - ale zazwyczaj zakres częstotliwości jest tu szerszy. 

Następnym krokiem będzie dodanie sond pola w widoku 3D w celu zarejestrowania rozkładu pola elektrycznego. Za pomocą kliknięcia przycisku można dodać kulę sond, aby rejestrować pola wokół urządzenia, jak widać na rysunku 5. 

Podczas wykonywania pomiarów EMC urządzenie jest mierzone za pomocą anteny w ustalonej pozycji, a następnie urządzenie jest obracane, aby upewnić się, że urządzenie jest zgodne z wymaganiami we wszystkich kierunkach. Korzystając z konfiguracji ze sferą sond, promieniowanie we wszystkich kierunkach można znaleźć w jednej symulacji, co pozwala zaoszczędzić czas. 

W pomiarach EMC zazwyczaj otrzymujemy najgorsze wartości, a za pomocą makra post-processingu w CST , również za pomocą jednego kliknięcia przycisku, możemy uzyskać najgorsze wartości, wykorzystując obwiednię wszystkich sond, co ukazano na rysunku 6. 

CST oferuje również możliwość włączenia linii granicznych do wykresów. Linie graniczne z niektórych dobrze znanych norm są uwzględnione, ale użytkownik ma również możliwość zdefiniowania własnych linii granicznych, co ułatwia wizualizację np. wymagań wewnętrznych. 

Iteracje projektowe 

Po prawidłowym skonfigurowaniu symulacji można łatwo tworzyć iteracje projektu i przeprowadzać analizy typu "co jeśli", podobnie jak w laboratorium pomiarowym. Możesz sprawdzić wpływ zmian komponentów i zobaczyć, co się stanie, jeśli wstawisz filtr na płytce drukowanej. 

Niektóre, z tych zmian można wprowadzić równie łatwo, jak w laboratorium pomiarowym. Ale inne zmiany, takie jak ocena zmian płaszczyzny odniesienia wewnątrz płytki drukowanej, są wygodniejsze do wykonania przy użyciu symulacji. Wizualizując pola, można również zrozumieć, co dzieje się na płytce drukowanej, zamiast po prostu odkrywać, że ostatnia zmiana spowodowała poprawę o 3 dB. 

Rozpocznij symulację EMC 

Emisje przewodzone i promieniowane są doskonałym punktem wyjścia do symulacji EMC. Istnieje jednak wiele ustalonych przepływów pracy dla symulacji EMC, a pakiet CST Studio Suite zawiera bibliotekę komponentów z gotowymi do uruchomienia przykładami symulacji. Kilka przykładów obejmuje przetwornice DC-DC, falownik, sondę wtrysku prądu masowego, przykład ESD i demonstrację skuteczności ekranowania. CST zawiera również szablony projektów, które pomagają prawidłowo skonfigurować projekt symulacji pod względem warunków brzegowych, ustawień siatki, sond itp. 

Daj nam znać, jeśli potrzebujesz wsparcia przy wdrożeniu, aby przyspieszyć proces nauki lub jeśli jesteś zainteresowany udziałem w całodniowym szkoleniu na temat korzystania z CST do symulacji EMC: info.pl@technia.com