基于有限元法的電機(jī)軟起動控制模塊PCB電磁兼容設(shè)計與仿真

趙 晨，吳明贊，宗慧雯

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京210094)

基于有限元法的電機(jī)軟起動控制模塊PCB電磁兼容設(shè)計與仿真

趙 晨，吳明贊*，宗慧雯

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京210094)

電機(jī)軟起動控制模塊PCB板載DSP芯片并運(yùn)行于300 MHz以內(nèi)的高頻和2 ns以內(nèi)的信號邊沿速率。為解決由于高邊沿速率帶來的電磁兼容性問題，應(yīng)用有限元法分別對自動布線和電磁兼容手工布線后的軟啟動控制模塊PCB進(jìn)行仿真，得到300 MHz、900 MHz和1.5 GHz下PCB的近場輻射值。仿真表明，PCB手工布線后其電場和磁場近場輻射在各頻點下的最大值分別有42%～81%和41%～84%的改善。說明通過電磁兼容手工布線提高了PCB的電磁兼容性。

電磁兼容;電機(jī)軟起動器;有限元;DSP芯片;PCB

新型電力電子軟起動裝置采用控制芯片對晶閘管等功率電力電子器件進(jìn)行控制，起動效果較好，但是與傳統(tǒng)軟起動方式相比其組成元件更容易產(chǎn)生或遭受到電磁騷擾。電磁騷擾既有頻率范圍，又有幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對周邊電子器件造成干擾［1-2］。電機(jī)軟起動控制模塊PCB作為整個軟起動器的控制核心，直接影響著軟起動器的控制效果，需要加以電磁兼容優(yōu)化以提高電磁兼容性能。

1 電機(jī)軟起動控制模塊PCB及其自動布線圖

所提及的電機(jī)軟起動控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)軟起動控制模塊是電機(jī)軟起動的核心控制單元，擔(dān)任著對電機(jī)軟起動器其他部分的控制、檢測和通信功能。其PCB主電路由DSP芯片、Flash存儲芯片、時鐘電路、電源電路、通信電路和光電隔離電路等構(gòu)成。軟起動控制模塊接收各檢測模塊的檢測值，經(jīng)過計算后控制輸出控制功率開關(guān)的PWM波，達(dá)到軟起動的目的。文章中電機(jī)軟起動控制模塊PCB自動布線結(jié)果如圖2所示。

2 電機(jī)軟起動控制模塊PCB電磁兼容理論分析與手工布線設(shè)計

2.1 電機(jī)軟起動控制模塊電磁兼容分析

電磁兼容(Electromagnetic Compatibility)主要考慮3個層級:系統(tǒng)級、PCB級和芯片級。根據(jù)文章實際，將主要關(guān)注PCB級電機(jī)軟起動控制模塊的電磁兼容情況，PCB級主要包括PCB走線、板載電子元件和電子設(shè)備之間以及內(nèi)部的電磁場大小以及耦合情況［3］。

圖1 電機(jī)軟起動控制模塊PCB結(jié)構(gòu)圖

圖2 自動布線后的電機(jī)軟起動控制模塊PCB

圖3 PCB上信號的頻譜特性

在電機(jī)軟起動控制模塊PCB上，最主要的干擾信號是芯片發(fā)出的對開關(guān)管的控制PWM脈沖與高速芯片間的通信信號和時鐘信號［4］。為確定線路的干擾機(jī)制，要對線路上信號的頻譜特性進(jìn)行分析。通常標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號波形為等腰梯形信號，其傅里葉展開式有:

如果設(shè)f=n/T，可得其信號頻譜特征如下:

可以看出當(dāng)考慮第1個轉(zhuǎn)折點十倍頻點的頻譜幅值時，在第2個區(qū)間中，信號幅值將降低20 dB，第3個區(qū)間將降低40 dB。則輻射帶寬與數(shù)字信號上升和下降沿有關(guān):

DSP邊沿速率時間小于2 ns，由式(3)可得fmax約為160 MHz，式(4)可知fr至少會產(chǎn)生直至1.6 GHz的輻射帶寬［5］。

2.2 電機(jī)軟起動控制模塊PCB的EMC手工布線

(1)規(guī)劃控制模塊PCB板時，應(yīng)將強(qiáng)干擾器件和敏感元件分開，將各芯片之間的高速信號線路盡量縮短，并盡量采取直線連接。

(2)當(dāng)PCB的工作信號頻率較高超過10 MHz時，將使接地阻抗變得很大，應(yīng)采用就近多點接地、加粗和縮短接地線，以減少接地電平的變化和浮動。

(3)高速線路印制導(dǎo)線拐彎處應(yīng)選取圓弧形拐角，并盡量避免直角、夾角在高速線路中的出現(xiàn)，使線路阻抗連續(xù)。信號線不能靠近PCB邊緣，避免由于阻抗變化產(chǎn)生輻射場。

(4)避免當(dāng)電纜從PCB兩側(cè)引出時，電纜出現(xiàn)形成共模發(fā)射天線情況，導(dǎo)致電纜在兩側(cè)時輻射急劇增大。PCB上的I/O線應(yīng)該避免相鄰和平行，避免產(chǎn)生耦合［6-7］。

將控制模塊PCB進(jìn)行電磁兼容手工布線調(diào)整后，并將敏感信號線進(jìn)行適當(dāng)移動，減少強(qiáng)場強(qiáng)區(qū)的走線密度后，得到調(diào)整后的PCB。手工布線后的PCB如圖4所示。

圖4 電磁兼容手工布線后的電機(jī)軟起動控制模塊PCB

3 電機(jī)軟起動控制模塊PCB電磁兼容仿真分析

3.1 有限元仿真軟件介紹

文章采用的Ansoft Designer軟件，是一款專業(yè)的電磁場分析軟件。該軟件將高頻電路系統(tǒng)、版圖和電磁場仿真工具集成至同一視窗環(huán)境下，并在求解的過程中基于高精度的物理原型。采用有限元數(shù)值算法，把有限元網(wǎng)格作為離散單元，然后利用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)和矩陣快速算法，實現(xiàn)快速精確地進(jìn)行電磁場求解。

3.2 PCB自動布線的近場仿真分析

文章是關(guān)于電機(jī)軟起動控制模塊的PCB級電磁兼容性研究，而只有在30 MHz以上時，才表現(xiàn)為輻射干擾［8］。故文章根據(jù)前文分析，在該P(yáng)CB的輻射帶寬0到1.6 GHz中選取3個仿真頻點，設(shè)300 MHz為DSP工作時信號的基波頻率，鑒于篇幅所限，選取奇數(shù)倍的3倍和5倍基波頻率做為其他兩個諧波頻點。

在Ansoft Designer軟件中新建一個工程文件，并插入EM Design子工程文件。將PCB文件(.dxf文件)導(dǎo)入EM Design子工程中。設(shè)定仿真求解器為Planar EM solution，添加300 MHz、900 MHz和 1.5 GHz 3個仿真頻點，并根據(jù)板上線路實際電壓幅值添加5個帶狀間隙激勵源。通過仿真，得到近場仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

通過觀察以上3個頻點的電場和磁場仿真結(jié)果，可知:

(1)隨著頻率的增加電場、磁場的近場強(qiáng)度大小有明顯的增加。

(2)在不同的頻點，近場強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)的位置會發(fā)生變化，且會隨著頻率的增加出現(xiàn)新的高場強(qiáng)位置。

(3)在有較長布線的位置，近場強(qiáng)度會因為天線效應(yīng)導(dǎo)致明顯的增加。

(4)在布線較為密集的區(qū)域，場強(qiáng)也相比別的區(qū)域要高。

圖5 自動布線情況下300 MHz、900 MHz和1.5 GHz電場近場分布

圖6 自動布線情況下300 MHz、900 MHz和1.5 GHz磁場近場分布

3.3 布線經(jīng)電磁兼容手工布線后仿真分析

將手工布線后的PCB版圖導(dǎo)入軟件，并采用相同的仿真參數(shù)設(shè)置，得到仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 電磁兼容手工布線后300 MHz、900 MHz和1.5 GHz電場近場分布

圖8 電磁兼容手工布線后300 MHz、900 MHz和1.5 GHz磁場近場分布

通過仿真，可以看出經(jīng)過手工布線調(diào)整后PCB的強(qiáng)場強(qiáng)區(qū)發(fā)生了小范圍的偏移，且其強(qiáng)度有了一定程度的降低，這有利于將強(qiáng)場強(qiáng)區(qū)域規(guī)避開敏感元件，減少電磁干擾。

4 仿真結(jié)果比較分析

前后兩個仿真過程，其仿真結(jié)果中峰值大小的比較如圖9、圖10所示。

圖9 電場場強(qiáng)前后仿真比較

圖10 磁場場強(qiáng)前后仿真比較

根據(jù)文章中前后的仿真比較分析可知，自動布線時的PCB磁場近場與電場近場的值均較大，產(chǎn)生的電磁騷擾較嚴(yán)重，不利于PCB乃至整個系統(tǒng)的電磁兼容性。

而經(jīng)過電磁兼容手工布線調(diào)整后的PCB，其近場場強(qiáng)得到降低:300 MHz時電場和磁場近場最大值分別有42%和80%的減少，900 MHz時電場和磁場近場最大值分別有56%和41%的減少，1.5 GHz時電場和磁場近場最大值分別有81%和84%的減少。近場強(qiáng)場強(qiáng)點由于減少了高速線路的布線密度和走線路徑，也發(fā)生了偏移，使原來處于強(qiáng)場強(qiáng)區(qū)域中的敏感元件偏離強(qiáng)近場干擾，初步達(dá)到了改善電磁兼容性的要求，在一定程度上優(yōu)化了PCB的電磁兼容性，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

文章采用Ansoft Designer軟件通過有限元的方法對軟起動控制模塊PCB電磁兼容性進(jìn)行分析。并通過對比自動布線與電磁兼容手工布線前后的近場場強(qiáng)值大小、分布情況，得出了經(jīng)過電磁兼容手工布線后的PCB具有較好的電磁兼容性的結(jié)論。但文章只是進(jìn)行了關(guān)于PCB的近場電場和磁場數(shù)值分析，有關(guān)PCB電磁兼容的其他方面如電磁屏蔽效能、EMI濾波等還未考慮，故日后將在文章的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行探討。

［1］潘亞培，吳明贊，李竹.基于有限元法的高頻開關(guān)電源PCB電磁兼容設(shè)計與仿真［J］.電子器件，2012，35(4):417-420.

［2］張寅，葉志鋒，徐建國.電子控制器PCB板電磁兼容性仿真與試驗研究［J］.航天控制，2012，30(1):49-53.

［3］王萍.淺談PCB電磁兼容設(shè)計［J］.電子質(zhì)量，2010，(10):73-75.

［4］謝如元，施佳林.PCB板時鐘電路的電磁兼容設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(2):142-147.

［5］區(qū)健昌.電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計理論與實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［6］錢振宇，史建華.開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計、測試和典型案例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［7］劉坤，高迎慧，嚴(yán)萍.高頻高壓電源的電磁兼容設(shè)計方法綜述［J］.電源技術(shù)，2011，35(10):1325-1328.

［8］邵小桃.電磁兼容與PCB設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

Design and Simulation of EMC for PCB of Motor Soft Starter Based on FEM

ZHAO Chen，WU Mingzan*，ZONGHuiwen
(School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

The DSP chip on themotor soft starter controlmodule PCB is working above the frequency of 300 MHz and under the edge rate of 2 ns.Using the FEM to get the near-field simulation results before and after the EMC manual layout of themotor soft stater controlmodule PCB under the frequency of 300 MHz and 900 MHz and 1.5 GHz to solve the EMC problem coursed by high edge rate.Simulation results show that themaxim value of the Electric and magnetic near field radiation decrease by 42%to 81%and 41%to 84%respectively after the EMCmanual layout is done.It indicates that themanual layout improves the EMC of PCB.

EMC;motor soft starter;FEM;DSP chip;PCB

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.006

TM 301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0022-04

2013-04-16修改日期:2013-05-17

EEACC:5100

趙 晨(1989-)，男，電氣工程專業(yè)碩士研究生，研究方向為電力電子裝置的理論與實踐。