5G時代背景下，各行各業都面臨創新升級，無疑需要借助5G高速航道彎道超車，實現產業的巨大成功。智慧系列場景，物聯網，AI、自動駕駛、大數據運算等新興技術的蓬勃發展，使得電子設備的形式多樣，數量眾多，全頻帶覆蓋，電磁環境急劇惡化，隨之帶來的挑戰就是要在如此復雜而惡劣的電磁環境之下，設計出依然滿足電磁兼容性EMC認證要求的高性能產品。因此，EMC設計是當今復雜電子產品設計中極其重要的一環。

　　什么是EMC?

　　EMC 是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力，也就是我們常說的電磁兼容；該定義包含兩層含義，即該設備應具備一定的電磁抗擾能力（EMS）,并且自身產生的電磁騷擾不能對其他電子產品產生過大的影響，即電磁騷擾能力( EMI)。這種能力，是整個電子系統的內部及外部表現，可以稱得上既要能做到安內，也要能做到抵外。各行業有其對應的EMC認證標準，如何通過相關電磁兼容性認證幾乎是所有帶電產品需要面臨的問題。

　　通常我們理解一個EMC問題是從其關鍵三要素出發：干擾源、傳播路徑、受擾體。

　　對于傳統的測試來說，當在EMC實驗室或者暗室測試發現產品不滿足相應EMC認證要求時，或者發現電子系統中存在被干擾的受擾體時，想要解決這類問題，也是從這三要素去思考解決辦法：

　　降低干擾源強度：干擾的源頭在哪里？一般電子設備干擾源是時鐘芯片，開關器件，高速芯片，電源，汽車機電電力系統中還有火花塞、電機、電磁閥、繼電器等。我們思考的問題是有沒有辦法去降低這些干擾源的干擾強度？如果有，通常是降低驅動能力，降低開關頻率，降低功率等，以犧牲一定的電性能來提升EMC兼容性。

　　優化傳播路徑：噪聲的傳播路徑在哪里？當降低噪聲源強度有難度或者不能很好地去滿足EMC性能時，這時可以選擇從傳播路徑上進行設計優化，分析噪聲的傳播路徑在哪里？怎么去阻止噪聲的傳播，而通常傳播路徑主要分兩種：

　　傳導路徑：如電源導線、信號導線、接地系統、線纜、PCB走線、連接器等，這種途徑通常采用的是電路的濾波處理，將諧波噪聲濾除

　　輻射路徑：主要是電路板的輻射、線纜的輻射、殼體縫隙的輻射、電磁場近場耦合等，通常采用屏蔽接地、貼吸波材料等

　　保護受擾體：發現被干擾的對象之后，有時從電路層面上保護受擾對像，如濾波，鉗位等，有時從空間電磁場層面保護受擾對象，如隔離、屏蔽接地等。

　　EMC之于產品設計

　　傳統的EMC設計通常是產品做出來之后測試，發現問題再去解決問題，分析思路雖然有了，但是，當我們面臨一個龐大而復雜的電子系統時，要去找到干擾源或者阻止傳播路徑不是一件容易的事情，因為噪聲源可能有幾個甚至幾十個，傳播路徑更是相當復雜，即有傳導又有輻射，你會很難通過后期的調試去解決所有的問題。

　　EMC設計直接關系到產品的穩定性、安全性、可靠性等，是產品設計過程中，必須邁過去的一道坎。有什么方式可以在前期設計階段就解決這類EMC設計問題嗎？答案就是借助先進的仿真技術。

　　利用計算機軟件虛擬仿真技術完成對產品的研發及更新迭代，這已經是當今高科技企業普遍采取的技術手段。電磁兼容問題，也可以利用仿真技術完成虛擬分析和優化設計，在設計的前期、中期，以及到產品的調試階段，都可以利用仿真技術，輔助我們完成復雜設備，復雜環境的多種多樣的電磁兼容問題。

　　EMC仿真的藝術性與工程性

　　EMC仿真分析，像是一個藝術創作的過程，因為不同的工程師，對產品系統的認知程度不同、對EMC仿真思路不同、對軟件功能認識不同，建立的模型也會不同。因而仿真的結果也不一樣，這是EMC仿真工作的藝術特性，有著仁者見仁智者見智的意思。

　　但它又不僅僅是一門藝術，因為即使不同的工程師建立不同的模型，仿真得出不同的結果，只要正確掌握了仿真技術以及EMC有關的理論和設計思路，依然能夠仿真分析得出對產品的EMC性能提升非常有價值的優化指導，或者整改措施，從而體現EMC仿真的工程性。

　　此外，EMC仿真又跟天線、電機、高速信號完整性等領域的仿真技術有所不同。這些領域追求的是與測試結果的一致性，正確反映產品設計現狀。而面對復雜系統的整機EMC仿真，例如產品包含機殼、各種數字處理板，射頻電路，電源電路板，線纜線束以及各種連接器、結構件等，這時候EMC仿真的真正目的，并非是獲得與EMC測試結果或者現象非常一致的仿真結果，而是應該以盡可能簡單的模型反映產品關鍵設計因素，從而在最短的計算時間內獲得對產品EMC性能有益的優化設計或整改措施。

　　EMC仿真沒有想象那么難

　　有時候我們并不一定能夠獲取系統當中的某些電子部件模型/數據用于建模仿真，甚至大多數都獲取不到，但是，因為我們追求的目標并非是要與測試結果保持一致，而是解決/優化EMC問題，所以某些部件模型的準確數據并不會顯得那么重要，可以利用替代模型甚至可以不用。

　　例如：一個電路板上電源芯片對模擬電路存在干擾，我們可能無法獲得這些外購的DC/DC噪聲器件模型及其輸出噪聲，但我們可以考慮從傳播路徑的角度來優化這些噪聲器件對敏感電路的干擾問題，優化電路板設計，包含器件的布局與布線。用軟件數值運算技術，幫我們定量計算復雜的PCB噪聲耦合，從仿真結果中可以找到優化改善干擾問題的辦法與措施。

　　又或者整機輻射發射超標問題，如果是外殼通風口電磁泄露導致的，無需建立內部各種噪聲源模型，完全可以單獨對機殼進行建模分析，優化通風孔設計策略，從而達到滿足EMC性能指標的目的，當然你也可以對內部噪聲源進行建模優化分析，同樣可以起到提升整機EMC性能，這是EMC仿真的特殊性，也是它的藝術性。

　　面對一個復雜電子系統， EMC仿真究竟該如何去做？最好是能在產品研發前期，采用逐一攻破的策略進行建模仿真，將復雜系統問題簡單化，主要可以分為以下幾個主要部分：

　　PCB的EMC分析

　　隔離度，電源濾波，輻射，傳導、時鐘干擾，ESD，接地、高速串擾等

　　線纜的EMC分析

　　布局、輻射、捆扎耦合，接地等

　　機殼的EMC分析

　　屏蔽效能、諧振分布、器件部件、電磁泄露等

　　接地系統EMC分析

　　接地阻抗、共地阻抗、接地噪聲等

　　整機系統的EMC分析

　　輻射發射，輻射抗擾等

　　環境級EMC分析

　　RFI, 天線共址，收發靈敏度等

　　一般最后再考慮做整機系統的EMC仿真，這樣拆分的好處是建模簡單，問題好定位，優化措施有針對性，建模仿真效率高，從概念設計到后期產品調試都可以進行模型的建立與分析，最重要的還是在產品的EDA/CAD開發階段，這時候可選的優化設計措施會更多，模型數據會更充分。

　　通用的EMC仿真體系架構

　　如前所述，EMC仿真與一般的復現性仿真不同，因此，相對而言，EMC仿真涉及面更廣，挑戰也更大。好在現代仿真技術經過幾十年突飛猛進的發展，已經到了比較成熟的階段，可以解決大部分的問題。

　　下圖是ANSYS基本的場路協同仿真配置框圖，各個模塊各司其職，相互配合，以場路協同的核心思路建立各種部件及系統的模型，包括電路、電磁場，從而獲得相應的傳導/輻射仿真結果。配合選項模塊，如參數掃描、自動優化，高性能計算等功能，可以極大提升EMC仿真的計算效率，優化效率，從而提高工作效率，縮短研發周期。

　　ANSYS場路協同的仿真框架

　　ANSYS的仿真體系架構提供了從芯片、封裝、磁性器件、機電系統、PCB系統、整機/整車系統到環境級系統的建模能力，不同客戶關注的不同EMC問題都能在這里找到對應的解決方案，同時具備電磁、流體、結構多物理場耦合仿真能力，是全面而強大的體系架構。

　　ANSYS完整的EMC建模能力一覽

　　常見EMC問題案例分析

　　EMC仿真的案例不勝枚舉，以下是幾個比較常見的EMC仿真應用示例。

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　　電路板的電磁輻射

　　電路板是電子系統的中樞神經，在產品EMC性能中有著舉足輕重的地位，而且也是主要的噪聲源之一，當電路板開關器件工作，高速信號傳輸，電源波動時就可能造成電路板的對外電磁輻射，這些輻射能量耦合到機殼縫隙、通風口、線纜線束上時就很可能造成整機輻射發射指標超標問題，首先想到的優化思路就是對PCB這個噪聲源進行噪聲抑制，影響PCB電路系統EMI性能的因素有很多，所以不同的工程師設計的電路板的EMC性能也表現不一，這里面包括：

　　關鍵芯片/器件的布局

　　疊層的設計

　　電容擺放策略/容值選擇、

　　高速信號布線

　　電源/地的布線

　　電源地過孔的設計

　　材料及工藝選擇

　　其他……

　　完成一個良好的PCB必須要考慮到信號完整性、電源完整性以及電磁兼容性問題，通過SIwave可以快速建立整板PCB模型，進行各項有關于SI/PI/EMC性能的功能仿真分析，以及自動優化分析工具，可以方便定位PCB的噪聲，抑制噪聲強度、提升產品EMC性能。

　　PCB輻射優化前后對比-近場遠場

　　2

　　電路板的EMC規則檢查

　　在進行PCB的EMC設計時，通常主要依靠工程師的工作經驗，不同設計環節的工程師使用著不同的驗證方法，或者根本無驗證手段。一些不適當的布線方式很難發現，也不可能特意去花精力進行仿真。例如線寬間距，退耦過孔與焊盤的距離，IO電路與高速器件間距等，這些細微的設計因素在整個電路板EMC當中也不可以忽視。

　　當需要對PCB進行仿真時，一般只針對的是復雜的設計、關鍵電路或高速電路，某些EMC相關的細節仿真的時候有可能被忽略，如此就可能帶來一些隱患，規則檢查可以彌補這塊的缺失，依據SIwave軟件自帶規則或者自定義的規則監視PCB的設計情況，實施EMI Scanner功能分析，可以幫助我們發現需要優化的地方。

　　EMI scanner規則檢查

　　3

　　開關電源傳導干擾

　　開關電源式適配器以強勁的發展勢頭超越了工頻變壓器式適配器，但開關電源的電磁兼容性較差，隨著開關電源工作頻率不斷提高，電磁干擾問題也變得日益嚴重，仿真勢在必行。

　　在進行開關電源仿真時，主要思路是用Q3D抽取傳播路徑的參數模型，如PCB、線纜的RLC寄生參數，分析零部件的高頻特性，如電阻、電容、電感、變壓器等的高頻特性，可以利用Maxwell/PExprt對電力電子部件進行建模仿真，然后在機電系統平臺Simplorer當中，將這些電阻、電容、電感、變壓器、MOSFET、二極管等部件的高頻模型連接成完整的開關電源仿真電路，即可獲得其對外傳導干擾的差模與共模噪聲頻譜分布。對比相應CE標準可知其EMC性能狀態，然后進行電路的優化改善分析。

　　傳導干擾優化-共模差模噪聲

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　　接地系統的設計優化

　　接地設計是電力電子設備的主要難點之一，劣質的接地設計將使得設備噪聲強度增大，從而影響芯片電路器件的正常工作，甚至會燒毀關鍵器件，同時也會造成更大的輻射與干擾問題。

　　理論上，低頻電路單點接地，高頻電路多點接地，復雜電路系統采取混合接地，但具體接地方式帶來的接地阻抗，共地阻抗的影響，理論分析很難獲得量化的結果。

　　利用軟件Q3D能夠對系統接地通路設計進行虛擬建模，抽取接地阻抗，結合電路系統simpolrer/Circuit軟件搭建電路系統分析，就能獲得接地設計的缺陷，從而指導接地設計的優化，找到最佳接地方式。

　　接地噪聲輻射-PCB聯合機殼

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　　線纜的輻射發射分析

　　線纜的布局與接地可以直接影響電子設備的EMC特性，在高頻段，線纜類似于單極子天線，會將線纜當中的噪聲通過空間輻射出去，形成對外干擾，同時也會耦合到來自其他高頻噪聲源的能量，如點火系統，天線、開關器件、高速電路板等，然后線纜將能量傳導到電路內部，從而造成對敏感電路受干擾，也就會影響設備的整機EMC測試表現結果。而通常線纜的選型與布局必須進行仔細的虛擬分析，否則可能造成整機產品的EMC性能不滿足指標要求。通過Q2D建立線纜截面模型，通過circuit指定各個線纜端子的噪聲頻譜和負載電路，然后在HFSS里面建模外殼模型以及其他結構件，指點線纜布線路徑，即可與Q2D聯合，實現3d cable modeling技術，快速完成線纜輻射發射仿真。

　　汽車線纜的輻射-空間輻射場分布

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　　電磁敏感度分析-ESD抗擾

　　電磁敏感度分析，即EMS性能要求，表明在受到電磁噪聲“攻擊”的情況下的EMC兼容能力，通常測試內容包括ESD\EFT\Surge\RS\CS\PMS等，而在利用仿真技術進行建模分析優化時，同樣可以從電路、空間電磁場兩個角度來進行建模分析，觀測電路上的電壓電流噪聲以及空間上的電磁場干擾。根據不同的分析目標，采用適合的軟件進行建模仿真，例如電路板的ESD抗擾仿真，基本思路是通過Q3D建立測試環境的三維模型，抽取測試桌面與地面的關鍵寄生參數， SIwave建立電路板模型，在觀測點與ESD噪聲注入點添加端口提取寬帶S參數，然后在電路系統Circuit中集合ESD激勵模型、器件模型(TVS\Commonchoke等)、提取的PCB參數模型建立完整的ESD分析電路，即可獲得觀測點的電壓電流時域、頻域結果，從而可以分析產品ESD抗擾能力,指導產品的抗擾設計優化。

　　R19版Circuit集成了常用EMC工具

　　PCB的ESD抗擾分析-探測點電壓波形

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　　PCB的輻射敏感度優化

　　受試設備暴露在外界電磁噪聲輻射情況下，電路系統是否會出現異常。一般在EMC暗室/GTEM小室測試該項性能，很多弱電控制系統處在惡劣的電磁環境當中，容易受到來自外界的高頻，高壓電磁場的輻射影響，例如高頻天線，大功率開關，汽車點火系統等，PCB上的關鍵敏感電路耦合到外界的電磁能量，轉換成干擾電信號，從而影響芯片正常工作，出現控制系統異常或失效的現象，可能會造成非常嚴重的后果。

　　在這方面，ANSYS的SIwave工具能夠定義電磁輻射源的強度和方向，用于PCB的抗輻射特性仿真，獲取各個敏感電路節點上的感應電壓強度，從而指導電路板設計的抗輻射優化設計.

　　PCB抗輻射分析-各個探測點感應電壓

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　　機殼屏蔽效能分析

　　當機殼有各種通風口、接口、縫隙時，內部噪聲源通過空間輻射的路徑，在這些結構特征上會形成電磁能量的輻射與泄露。對于整機EMI性能，從阻止傳播路徑的角度，可以單獨對機殼進行建模，在HFSS軟件當中可以支持各類電磁噪聲的直接定義，例如電偶極子，磁偶極子，平面波，高斯波，柱面波等, 無需創建實體的噪聲器件模型就可以對機殼進行電磁屏蔽性能分析。

　　當然，也可以引入其他仿真結果源數據，如SIwave仿真的電路板輻射。仿真完成后可查看空間電磁場強度分布，可以發現不同頻點的電磁泄露情況、主要泄露的位置、以及屏蔽效能值。從而可以發現機殼的設計缺陷，找到整改措施。

　　機殼屏蔽性能-電磁泄露

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　　整機系統電磁輻射發射分析

　　整機系統通常包含外殼，各類電路板，線纜，開關器件等，通常這類仿真建模涉及的電子部件會比較多，所以相對來說，仿真也就越趨復雜。

　　ANSYS在這方面采用不同軟件模型數據相互傳遞的思路實現整機系統的建模與仿真，所以建模難度不算復雜。主要是基于HFSS全波系統電磁場仿真軟件，HFSS建立整機外殼結構件的模型及材料，將SIwave仿真獲得的PCB輻射數據導入進來，然后Q2D建立的各類線纜的截面場和噪聲端子頻譜定義，在HFSS指定線纜路徑即可引入三維空間線纜的輻射數據。另外，也可引入用Maxwell建立的低頻器件電磁場數據，如火花塞，電感線圈等，將各個部件場數據映射在整機外殼內部空間的相應位置，即可完成寬頻帶的整機輻射發射分析。

　　整機系統輻射發射-RE

　　以上列舉的是EMC仿真部分案例，類似案例還有很多，譬如機箱諧振分布，數模混合干擾，電機驅動系統傳導干擾，線纜捆扎干擾，PCB關鍵芯片布局，EFT，BCI大電流注入，設備輻射受擾分析等，在這里就不一一列舉。

　　平臺級一站式EMC解決方案

　　綜上，EMC仿真已經是電子及電力電子行業高速發展趨勢下的必要分析手段，是一門科技藝術，同時也是一門科技工程。在5G的背景下，頻段高，速率高，密度高，帶來的EMC問題必然巨大，在萬物互聯的復雜電磁環境下，企業需要的是平臺級的一站式EMC解決方案，需要提供小到芯片，封裝，PCB，大到平臺，機房，互聯，數據中心，城市環境等在內的全覆蓋電磁兼容模擬和優化設計。

　　這就要求仿真軟件體系架構需要滿足以下幾個方面的要求：

　　不同尺度，不同背景產品的模擬技術，包括芯片，PCB，天線，電機，電纜等各種電子零部件的建模和參數提取能力；

　　將上述各個零部件模型，通過電路與系統的方式，無縫連接成一個整體，實現從上到下的系統級仿真模型和仿真體系，底層數據互聯互通，共享且同步更新；

　　跨學科的綜合設計能力，能考慮高功率，震動，風載，雨雪等條件下的產品綜合性能，各個方面的分析可以是相互依賴，相互影響的，從而保證產品模擬的真實性；

　　跨學科的優化能力，軟件體系需要具備強大的底層優化器，能夠驅動不同學科，不同領域的軟件，共同完成復雜多參數空間的快速分析和優化設計，快速找到最佳方案。

　　放眼業界，ANSYS所提供的EMC仿真解決方案，可實現從部件到系統的詳細建模分析，方便定位EMC根源問題，可以量化分析設計狀態，可視化電磁場空間狀態，同時可以讀取測試數據進行測試虛擬聯合分析，是非常值得信賴的選擇！

　　ANSYS也將在10月開始啟動多場網絡研討會和線下技術研討會，屆時也有豐富的電磁兼容相關主題內容。歡迎大家踴躍報名研討會，將有機會近距離了解EMC仿真的藝術性與工程性！