電子控制器PCB板電磁兼容性仿真與試驗研究

張 寅 葉志鋒 徐建國 曹志潔

1.南京航空航天大學，南京 210016

2.中航工業(yè)動力控制系統(tǒng)研究所，無錫 214063

電子控制器PCB板電磁兼容性仿真與試驗研究

張 寅1葉志鋒1徐建國1曹志潔2

1.南京航空航天大學，南京 210016

2.中航工業(yè)動力控制系統(tǒng)研究所，無錫 214063

隨著航空發(fā)動機全權限數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，電子控制器中PCB板電磁兼容性設計的重要性日益凸顯。本文以某控制器PCB板為對象，在10MHz至1GHz頻率范圍內(nèi)，對其電磁干擾使用Ansys公司的SIwave進行近場遠場仿真研究，并使用容向公司EMSCAN電磁干擾掃描儀進行測試。通過測試與仿真結(jié)果的對比，驗證了仿真的準確性。本文提出了一種基于仿真預測PCB板電磁干擾的實現(xiàn)途徑，對于電子控制器PCB板的電磁兼容性設計具有參考價值。

電子控制器;PCB;電磁兼容;SIwave;EMSCAN

電磁兼容EMC(Electromagnetic Compatibility)，是指“設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”［1］。在飛行器和武器裝備設計過程中忽視電磁兼容問題，會導致極為嚴重的損失。例如:大功率雷達與艦載導彈連接器間存在電磁兼容問題，導致了1967年7月29日，福里斯特爾號航空母艦艦載導彈自動發(fā)射事件，造成數(shù)架艦載機被毀，134人死亡［2］;2000年，英國民航管理署對飛機的測試表明，在GSM移動電話頻率上，很容易造成數(shù)字VOR導航方位現(xiàn)實誤差超過 5°［3］。

在產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)過程中，越早發(fā)現(xiàn)和解決電磁兼容性問題，就能夠節(jié)約人力物力。在航空航天領域，從上世紀70年代開始，國外就開展了電磁兼容仿真預測軟件的開發(fā)和研究工作，取得了一系列的成果。如美國羅姆航空發(fā)展中心開發(fā)了用于分析和預測發(fā)射機和接受機間干擾情況的仿真軟件IPP-1［4］。國內(nèi)長期以來由于測試手段與計算機運算能力的限制，在電磁兼容領域的研究起步較晚，北京航空航天大學研制的針對飛機電磁兼容性的預測軟件(BHEMCAP)獲得了一定范圍的應用［4］。

目前，主流的研究方向是使用Protel，Cadence等EDA軟件自帶的電磁兼容模塊，對PCB板的PI(電源完整性)和SI(信號完整性)進行仿真分析。但隨著處理器性能的提升，時鐘的上升/下降沿也提高到了ns級。系統(tǒng)中存在大量的高頻諧波分量，給系統(tǒng)電磁兼容性設計帶來了較大困難。僅靠EDA軟件自帶的電磁兼容模塊，已不能完全解決產(chǎn)品設計制造過程中所遇到的電磁兼容問題。調(diào)查統(tǒng)計表明，在航空電子、電氣設備的電磁兼容性(EMC)測試中，大部分產(chǎn)品輻射發(fā)射項目的測試結(jié)果都有超標現(xiàn)象［5］。

本文以某控制器的PCB板為對象，在10MHz至1GHz頻率范圍內(nèi)，對其電磁干擾使用Ansys公司的SIwave進行仿真研究，使用容向公司的EMSCAN電磁干擾掃描儀進行測試。仿真與測試的結(jié)果對比顯示:仿真能夠預測系統(tǒng)的輻射趨勢和強度，尤其是在設計的初始階段，還沒有試驗產(chǎn)品完成前，仿真是唯一可行的預測產(chǎn)品電磁兼容性手段，可以為機箱選型，局部屏蔽，走線優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。本文提出了一種基于仿真預測PCB板電磁干擾的方法，對于電子控制器PCB板的電磁兼容性設計具有參考價值，有廣闊的工程應用前景。

1 理論背景

SIwave是Ansys公司提供的使用全波有限元解法器的板級電磁場分析工具。下面以高階混合邊/節(jié)點三角形單元為例，來說明全波有限元解法。

電磁波在空間傳播時，其運動規(guī)律遵循麥克斯韋方程組。當場矢量的每個坐標分量及標量函數(shù)都隨時間以相同的頻率做簡諧規(guī)律變化的時變電磁場，稱為時諧電磁場。在時諧場下，麥克斯韋方程組可簡化為矢量波動方程:

上式中，E為電場強度矢量，是位置和時間的函數(shù);k0是真空中的波速;［εr］為對角型相對介電常數(shù)張量。

對于復雜的電磁場，可以將其視作一系列簡單時諧場的線性組合［6］。使用矢量波動方程求解每個分量，然后將結(jié)果進行同樣的線性組合，進而得到整個電磁場的結(jié)果。

圖1是一種高階混合邊/節(jié)點三角形單元，由含有6個頂點的切向未知量Et1～Et6的線性邊三角形模型和含有6個軸向未知量Ez1～Ez6的二階節(jié)點單元組成［7］。

圖1 高階混合邊/節(jié)點三角形單元

在上述的每個單元中，電場可以表示為:

其中，矢量{Et}e和{Ez}e的分量分別是Et1～Et6和Ez1～Ez6;{U}和{V}是線性邊三角形單元的形狀函數(shù)矢量;{N}是二階節(jié)點三角形單元的形狀函數(shù)矢量;β是Z方向的相位常數(shù)，在有損耗的情況下，可用β-jα替換β，其中α是損耗常數(shù)。

對(1)式應用有限元過程，可得矩陣方程為:

式中，εrx，εry，εrz分別是x，y，z方向的相對介電常數(shù)，求和符號包括所有的單元。再結(jié)合邊界條件和連續(xù)性定理，可以求出整個PCB板電磁場分布。

2 仿真模型的建立

為得到PCB仿真模型，需要將印制電路板圖導入SIwave中。由于在國內(nèi)推廣較早，加之界面友好，Protel在PCB設計領域中獲得了廣泛的使用。本文研究的某控制器PCB也是使用Protel繪制而成，如圖2所示。Ansys公司的SIwave本身不提供對Protel的端口支持［8］，因此首先需要借助中間軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)過程為:Protel-＞Orcad Layout- ＞Allegro- ＞SIwave。

因為各商用軟件之間的接口并不匹配，且在數(shù)據(jù)格式和標準上存在差異，所以導入過程可能導致部分數(shù)據(jù)的缺失，應首先檢查布線的連續(xù)性，將不完整的布線補全。將PCB介質(zhì)材料設置成FR-4，調(diào)整層間距，刪除沒有走線和器件的輔助層。根據(jù)原理圖，在SIwave中設置器件參數(shù)信息。完成以上工作后，得到可以用于仿真PCB模型，如圖2(b)所示。

該PCB板集成了控制器的信號調(diào)理模塊和通訊模塊。通過RS-232口，將傳感器和執(zhí)行機構(gòu)信息傳輸給上位機。在仿真研究中，使用SIwave對電路進行仿真，得到RS端口與TS端口間的S參數(shù)矩陣。將其制成端口模型，在Designer調(diào)用模型，并在RS端口和TS端口上添加電壓信號，仿真PCB板實際工作情況下的電壓波形，如圖3(a)所示，其中X軸為時間，單位是μs;Y軸為電壓，單位是V。最后對結(jié)果進行傅里葉變換，得到波形頻域信息，如圖3(b)所示，其中X軸是頻率，單位是MHz;Y軸為電壓，單位是 dBV。本例中，在 SIwave中設置Port1和Port2，分別對應串口 RS端和 TS端。將Designer中得到的信號頻譜信息制成激勵源，傳入端口，在仿真正常工作情況下，信號傳輸時PCB板的電磁輻射情況。

3 仿真與測試

建模后，對PCB進行仿真分析，重點關注的是PCB板的頻率特性和進場分布情況。

工程中對PCB板的頻率特性十分重視。因為了解PCB板的頻率特性，一方面有助于合理安排PCB板在機箱內(nèi)的相對位置，減少相互間電磁輻射與干擾;另一方面，有助于預測產(chǎn)品是否能通過電磁兼容的輻射發(fā)射測試，是否需要設計屏蔽機箱。由于電磁輻射具有各向異性，因此在PCB板10MHz至 1GHz 的頻率特性仿真中，設置 0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°經(jīng)線與 0°，60°，120°，180°緯線的交點為觀測點，共計28個。其仿真結(jié)果如圖4所示，其4個峰值點分別為:240MHz-29.73dBμV，440MHz-27.73dBμV，708MHz-22.27dBμV 和950MHz-20.92dBμV。圖4的X軸為頻率，單位GHz，Y軸為電壓，單位 dBμV。

圖4 電子控制器頻率特性仿真結(jié)果1

為了驗證仿真結(jié)果的正確性，在實驗室環(huán)境下，我們使用容向公司的EMSCAN電磁干擾掃描儀，對該控制器的頻率特性進行了測試，測試覆蓋的頻率范圍同樣為10MHz至1GHz，測試結(jié)果如圖5所示，X軸為頻率，單位MHz，Y軸為電壓，單位dBμV，其峰值點為:240.172MHz-19.9dBμV和 947.943MHz-18.5dBμV。

圖5 電子控制器頻率特性測試結(jié)果

對比圖4與圖5，首先可以看出仿真峰值和測試峰值頻率十分接近，均在240MHz和950MHz附近，在數(shù)值上仿真結(jié)果略大于測試結(jié)果。其次可以看出，在10MHz～1GHz范圍內(nèi)，雖然測試曲線不能與任何一條仿真曲線完全吻合，但是在絕大部分頻率點上測試結(jié)果介于同頻率點上仿真結(jié)果的最大值與最小值之間。

PCB板的近場分布能提供不同頻率下PCB板上的熱點(強輻射點)、熱區(qū)(強輻射區(qū))分布信息，以便為PCB版的布局、布線和設計屏蔽結(jié)構(gòu)提供指導，從而進一步提高PCB板的抗電磁干擾能力。以該控制器為例，針對頻率特性測試時240MHz附近出現(xiàn)的輻射峰值，對PCB板近場分布進行了仿真和測試。圖6(a)是在該板下方10mm處近場分布情況仿真結(jié)果，圖6(b)在該板下方10mm處近場分布測試結(jié)果，其中X，Y軸是長寬，單位mm，色標卡單位 dBμV。

對比圖6(a)與圖6(b)，可以看出仿真和測試的電場區(qū)分布形狀十分相似，仿真的熱點數(shù)明顯多于測試的熱點數(shù)。這有助于設計者從最壞情況出發(fā)，在最初設計時考慮使用覆銅，局部屏蔽的方法，減小輻射強度［9］。

4 結(jié)論

本文以某控制器PCB板為對象，在SIwave中建立了PCB模型，通過Designer仿真工況下信號波形，再在SIwave中仿真工作時的電磁輻射情況，從而得到了PCB版在10MHz～1GHz范圍內(nèi)的頻率特性曲線和240MHz下的近場分布圖。

使用容向公司的EMSCAN電磁干擾掃描儀，通過電流環(huán)探頭陣列掃描器采集信息，用安捷倫的E4402B頻譜分析儀進行處理。得到PCB板實際工作中10MHz～1GHz范圍內(nèi)的頻率特性曲線和240MHz下的近場分布圖。

數(shù)據(jù)對比顯示:仿真能夠預測PCB板輻射峰值頻率、輻射強度和其近場分布情況。本文探索了一種基于仿真技術預測系統(tǒng)近場分布和輻射發(fā)射的方法。該方法能在設計初始階段預測PCB板EMC問題，對提高電子控制器的電磁兼容性能，減小產(chǎn)品因電磁兼容問題引起的風險，縮短研制周期，減少研發(fā)成本，具有重要的應用價值。

［1］GB/T 4765-1995電磁兼容術語.

［2］Clayton R.Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibility［M］.American:John Wiley ＆ Sons，Inc，1992:8-9.

［3］Safety Regulation Group，Civil Aviation Authority.Effects of Interference from Cellular Telephones on Aircraft Avionic Equipment［R］.CAA PAPER 2003/3，30 April 2003.

［4］唐金歡.電子設備電磁兼容仿真模型的簡化研究［D］.西安:西安電子科技大學，2008.

［5］趙金奎.航空電源產(chǎn)品輻射發(fā)射測試研究［C］//高悠綱，沈遠茂，石丹.第17界全國電磁兼容學術會議論文集.北京:電子工業(yè)出版社，2007，8:6-14.

［6］王增和，丁衛(wèi)平，李平輝.電磁場與波［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:41.

［7］陳福生，楊擁軍，孫豹，等.集成光學器件導論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:31-33.

［8］Ansoft Corporation.SIwave Online Help［M］.American:Ansoft Corporation，2009:15-16.

［9］Montrose M.Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance:A Handbook for Designers［M］.American:Wiley-IEEE press，2000:125-129.

The Simulation and Experimental Study on the EMC of the PCB for the Electronic Controller

ZHANG Yin1YE Zhifeng1XU Jianguo1CAO Zhijie2
1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
2.Aviation Motor Control Institute，Wuxi 214063，China

With the constant development of theFADECsystems used on the aero-engine，the electromagnetic compatibility for the design of printed circuit board designed in electronic controller is much more paramount．ThePCBfor the digital controller is presented as the application object．The far field and near field of thePCBmodel are simulated by the application ofSIwaveof Ansys Corporation from10MHzto1GHz.And thePCBis tested by theEMSCAN，which is produced byEMSCANCorporation in the same frequency range．The measurement results show the well accuracy of simulation．A method of the prediction for thePCBs’EMCis proposed，which is based on the simulation．It has reference value for theEMCdesign of the electronic controllers’PCBs.

Electronic Controller;PCB;EMC;SIwave;EMSCAN

V274.1

A

1006-3242(2012)01-0049-05

2011-10-10

張 寅(1986-)，男，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向為航空發(fā)動機控制;葉志鋒(1962-)，男，浙江人，博士，教授，主要研究方向為航空發(fā)動機控制;徐建國(1971-)，男，山西人，博士，講師，主要研究方向為航空發(fā)動機測試與控制;曹志潔(1960-)，女，江蘇人，研究員，主要研究方向為航空發(fā)動機電子控制器設計技術。