小型化智能设备EMC仿真分析-ANSYS

1小型化智能设备EMC仿真分析张伟高级工程师ANSYSChina2EMC仿真必要性ANSYSEMC多层次解决方案新版软件技术特征多层次EMC分析案例主要内容3EMC设计挑战电子设备与系统的特点1.高速化更高速的信号跳变速度更不稳定的电源供电更强烈的干扰源2.复杂化数模混合集成包含PCB、背板，封装、连接器的通道复杂化复杂的IO设计多射频干扰环境3.小型化更小的设计空间更低的设计功耗系统高密度集成4ANSYSEMC多层次解决方案•行为级系统仿真（EMIT）–预测复杂射频（RF）环境中电磁干扰–典型问题Tx/Rx对的带内和带外干扰效应共共共共共共•结构电磁场仿真（HFSS&Maxwell&Q3D）–只需计算结构的电磁特性来优化EMC性能–典型问题共共共共共共共共共共共共共共共共共共ESD共共共共共共共共共共共共共共共共共•电磁场与电路/系统协同仿真（ANSYSCPS）–考虑结构的电磁特性和电路特性影响–仿真模型数据完整性，提供虚拟测试保真度–典型问题共共共共共共共共PCB共共共/共共共共共共共共共共共共共共共共共5统一的操作环境ANSYS统一的多物理场仿真环境WorkbenchR16起全新推出ANSYS电子设计桌面系统、电路和三维电磁场仿真之间更紧密集成统一的界面布局和操作习惯•工程设计树•参数化建模•模型前处理•材料库•求解设置•结果后处理•场分布显示6场路协同HF:HFSS与Designer的动态链接EM:Maxwell/Q3D/Simulink与Simplorer的动态链接SI/PI/EMI:HFSS/SIwave/Q3D与Designer的动态链接电磁场工具和电路/系统工具之间可实现双向动态链接与场路协同仿真•Down-Top：从部件设计直至完整系统•Top-Down：从系统至子系统逐步设计7车载ECU系统辐射发射HFSS设备机箱模型Siwave仿真PCB辐射仪器测试辐射数据场到场数据连接RE辐射与三维场从部件到系统的数据连接8曲面型网格单元更好剖分曲面结构HFSS四面体网格HFSS三角面元网格HFSS3DLayoutPhi网格技术高效处理复杂PCB和封装自动且精确的自适应网格剖分所有的场仿真软件都具备，用户可专注于产品设计，无需重复验证仿真结果Q3D网格Maxwell2D网格Maxwell3D网格三维组件功能，可实现组件装配与网格复用自适应网格剖分极易用，且确保结果准确稳健的剖分算法，自动得到精确的网格共形的网格单元，可完美表征几何结构自适应剖分迭代，确保准确的仿真结果9ElectromagneticsFluidDynamicsStructuralMechanics2.003.004.005.006.007.008.00Time[ms]123.75140.00160.00180.00200.00Y1[NewtonMeter]Time(ms)Torque(N)Singlephysicssimulation,assumingamagnettemperatureof22C3-wayMultiphysicssimulationshowsthattheactualmagnettemperature:53C16%dropinpredictedperformance电磁热力、形变在ANSYSWorkbench平台，只需拖放就能实现方便快捷的耦合仿真和自动数据传递，实现电磁和结构、流体的耦合仿真，进行散热设计和热应力仿真多物理场耦合拓展11多射频系统干扰仿真•EMIT、HFSS&SBR++与RFOption为射频干扰仿真提供了无缝工作流程，开启了全新的应用领域：•HFSS与/Savant计算空间电磁耦合，EMIT构建包括装载环境的多射频系统场景模型•RFOption可提供无线和部件的性能数据，补充EMIT内置参数化模型库•EMIT则提供了完整的仿真框架，实现复杂RFI效应的场景级建模、预估与缓解[S]HFSS&SBR获得电磁耦合矩阵EMIT中构建完整的多RF系统场景RFOption提供更多无线模型12EMIT主要功能管理系统性能数据仿真RFI/EMI效应定位RFI/EMI的根本原因解决RFI/EMI问题13案例：手机多射频系统干扰分析手机加载Cellular、WiFi、GPS三个通信系统，可在电磁场分析工具Savant中进行手机载体和天线本体的建模HFSS/SBR++计算得到的三个天线间相互的耦合量14案例：手机多射频系统干扰分析Savant计算得到的天线场图和天线之间耦合量数据导入EMITEMIT中1对1和N对1分析结果15案例：手机多射频系统干扰分析1-ON-1AnalysisN-ON-1AnalysisCellular发射干扰WiFi接收GSM800/900频段的基波造成带外干扰（红色箭头）GSM800/900频段的三次谐波造成带内干扰（绿色箭头）Cellular+WiFi发射干扰GPS接收GSM和WiFi之间的二次交调产物是造成GPS带内灵敏度受扰的根本原因：2412MHz–849MHz=1563MHz16案例：手机多射频系统干扰分析Cellular发射带通滤波器：-阻止带外的WiFi信号进入PA，消除二阶交调产物对GPS通道的干扰；-减小GSM的高次谐波，消除对WiFi接收通道的干扰；WiFi接收带通滤波器：-消除Cellular基波带来的带外干扰；17电磁泄露/HFSS线缆辐射/串扰耦合HFSS/Q3D结构电磁场EMC仿真多角度的EMC优化分析结构体本征谐振/HFSS结构体屏蔽性能/HFSS18案例：线缆RS仿真任意线缆结构模型19线缆RS分析案例1meter普通的平行线缆PCBDB9连接器当在外界电磁波干扰的环境之下，线缆易形成天线效应，将不需要的电磁波能量接收下来，形成辐射干扰。20空间场分布普通双线缆感应电流未良好接地的屏蔽双绞线缆感应电流良好接地的屏蔽双绞线缆感应电流500Mhz,1w噪声干扰下最大感应电流密度约为2A/m500Mhz,1w噪声辐射下最大感应电流约为零21场线缆耦合的电路干扰22Chip-Package-System解决方案ChipPower/SignalModel(CPM/CSM)ChipThermalModel(CTM)Siwave/AEDTANSYSChip-Package-SystemFlowsTotem(AnalogIP)芯片级解决方案RedHawk(CPA/CSM)PowerArtist(RTL)MaxwellHFSSQ3DIcepakMechanicalSentinel-TI23CPS芯片建模技术ModelNameCPSApplicationModelContentCPMPowerIntegrity,EMIChipPDNparasitics(RLC),device/transistorswitchingcurrent(@pads),device/signalwirecapacitancesCSMSignalIntegrityChipIObuffermodels(CIOM),chipIOringPDNparasiticsCECMSystemESDChipPDNparasitics,ESDprotectiondevicecircuitry.CTMThermalIntegrityChippower-temperaturelibrary,metallizationstack-up,etc.24集合CPM模型的板级EMI分析Layout-BasedChipPowerModelsUsingRedHawk,Steineckeetal,Infineon.芯片上电源栅格寄生RLC晶体管电流/电容/等效串联电阻SPICE网表格式cps原理CPM导入SIwave电源波动电路板辐射258Gb/sEYEbeforeandafterRXEqualizationEvaluatehowsignalsenterandexitusingHFSS,SIwaveandQ3DPerformfull-systemSI+PIanalysiswithCSM™andchannelmodelsfromSIwaveCouplinginPKG/PCBreducedWithPowerNoiseWithoutPowerNoiseChipSignalModel(CSM™):•IOringPDN•IObuffer•IOdecaps包含CSM模型的高速串行通道26电磁耦合并行总线的SSN复杂而密集的并行总线layout设计，如DDR系列27DDR并行总线SSN1，选择仿真的信号网络，自动建立Designer仿真电路，无须人工自行建仿真电路28对外辐射分析在Designer完成时域分析得出信号及电源波动情况之后，利用pushexcitation将实际复杂噪声作为SIWAVE的激励源29噪声辐射分析3米远场辐射强度1cm近场辐射分布辐射分析R18辐射分析30CompleteESDIntegrityCoverageIPCellleveldetailedESD(Current)checksVisibilitydowntoPOD/NODlayersIdentifiesimbalanceincurrentdistributionESD-CMM(Physical+ESDelectricalmodel)CECM:ChipESDCompactModel(Layoutparasitics,ESDdevicemodels,portcurrentsignature)SystemSoCEarlytoSign-offAnalysesforESDConnectivity,Robustness,CurrentDensityFull-chipanalysiswithdistributedprocessingESD放电电流和芯片PIN脚电压SoCSoCEarlytoSign-offAnalysesforESDConnectivity,Robustness,CurrentDensityFull-chipanalysiswithdistributedprocessingD2D1CurrentDensityMap31•完善的全系统ESD优化建模分析能力，包括芯片级以及PCB板级•从芯片到PCB层面复现ESD攻击电流的传播影响•可以从芯片层或者封装、PCB层面进行ESD保护设计优化V_SOCChippinV(t)ChippinV(t)fordifferentCECM.HigherCdieresultsinlowerpinresidualvoltageCECM:ChipESDCompactModelSimulatedNearfieldscanw/oandw/ESDprotectiononhighspeedUSBsignalSystemESDAnalysiswithCECM™“System-levelESDFailureDiagnosiswithChip-Package-SystemDynamicESDSimulation”-Samsung-EOS/ESDSymposium2014ESDgun32EMIVirtualComplianceRADIATEDEMISSIONS案例展示利用SIwave仿真的PCB辐射发射数据，结合HFSS建立EMC虚拟测试环境，利用双锥天线接收各个方向上电磁辐射能量PCBMODELCOURTESYOF33感谢聆听