电磁仿真在EMC设计中的应用案例

前言

“ 随着CEM（计算电磁学）的发展与计算机算力的提升，越来越多的研发型科技公司选择用仿真来指导产品的EMC设计。传统EMC行业在仿真技术的加持下，会开出怎样的新花？本文用几个CST仿真案例，聊一聊电磁仿真在EMC设计中的应用。”

关键词：EMC仿真，车载以太网，开关电源，电机驱动控制器

1 EMC仿真的意义

说说为什么要做EMC仿真？请看下面这张“X”曲线图：在产品的EMC开发周期中，越到产品研发的末期，工程师所能采取解决EMC问题的措施就越少，且相应所付出的代价也越高。EMC仿真的意义或者目的，简单总结就两个字——寻优，这个“优”包含：缩短开发周期、低成本方案替代、仿测趋势验证、为设计提供理论支撑、无硬件的方案对比迭代等。

对于EMC仿真的实质性意义，也有相当一部分的从业者认为仿真效率太低，而且仿不准，不如直接上手测。“三板斧”——屏蔽、滤波、接地来一遍，问题可能就闭环了！而仿真，可能还处于模型处理阶段？

的确，在早期计算机的算力相对有限，电磁仿真应用于指导系统级EMC设计是无法满足效率和精度的需求。一片简单的PCB配个结构件，单次建模计算耗时动辄十天半个月，仿真的结果也不一定正确。忙活半天，工程上却起不到任何指导意义。尝试仿真的人，也不敢拍板说方案这么做行不行，导致了前期“吃螃蟹的人”非常少。

但如今，随着计算机硬件（CPU、GPU算力）的提升、HPC技术的应用以及各大商软巨头在计算电磁学领域的深耕，仿真的精度与效率与十多年前已不可同日而语。科技行业内的头部研发型企业，在产品研发中正在逐步形成仿真先行的意识，用确定的仿真计算来指导产品的设计（不仅仅是EMC领域），不断积累各类仿真数据库，并形成技术壁垒。

通过前端Designing仿真，提前发现EMC设计中的缺陷并对问题先行优化或规避，甚至能达到一版成功的奇效。通过后端Troubleshooting仿真，帮助开发者理解电磁问题产生的基本原理与优化方向，从而大大地降低和缩短产品的研发成本与周期。

所以，近几年大家发现EMC仿真这螃蟹是越吃越香了。不信打开你们手机上的招聘APP搜索EMC相关的工作岗位，很多公司在JD中都会加一条：掌握ANSYS/ CST/ FEKO等电磁仿真软件者优先。

2 车载以太网仿真案例

汽车行业的电动化、智能化和网联化，带来车载电子部件数量和种类的与日俱增。各个车载电子部件之间需要数据连接通信，使汽车总线必须需要具备更高的数据传输能力。

以太网于1980年投入商业使用，具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高等优点在各种工业场景中广泛应用。但在汽车领域，由于其体积和重量的原因而无法普及。传统以太网电缆通常由4对双绞线 (Twisted Pair，TP) 组成，根据有无屏蔽层，双绞线可分为屏蔽（STP）与非屏蔽（UTP）。

为了开发车载以太网，物理接口被简化为一个UTP，并保持总线的其他组件不变，这样能够兼顾重量轻与成本效益的优点。BroadR-Reach是汽车应用的点对点以太网物理层标准，允许两个设备通过UTP以100Mb/s的速度进行全双工通信，并进一步提高到1000Mb/s，高速率的要求使符合BroadR-Reach以太网和汽车EMC标准成为一个高挑战性的工作。

下面我们以车载以太网作为研究对象，说说如何进行车载以太网的EMC仿真。

▲车载以太网应用场景

2.1 车载以太网的EMC理论基础

做EMC仿真时，一定不要急于闷头建模。模型简化、网格剖分固然重要，但第一步更重要的是要了解研究对象的系统架构与产生EMC问题的背景，所以要先充分查阅资料。

车载以太采用差分传输信号，使线缆具有较低的干扰和较高的抗扰能力：（1）由于信号线对彼此相邻，单位长度上双绞的信号电流产生的磁场都相互抵消了，因此噪声很难向外发射；（2）对于外部干扰，噪声通常以相同的方式进入两条差分传输信号线，因此也不影响最终有用信号的波形。

▲采用双绞线架构的差分传输线，可使线缆单位长度内电流产生的磁场相互抵消，有效抑制辐射发射等EMI问题

▲空间中的杂波信号，一般以同样的方式进入差分传输线对，而实际的有效接收信号为二者互补后信号的求差，因此能够提高其EMS电磁抗干扰能力

2.2 车载以太网共模噪声的产生因素

前面说到，采用双绞差分线传输的以太网具有EMI干扰低、EMS抗扰强的优点，那为什么在应用中还会有EMC问题？

因为前面的分析是在理想情况下，差分双绞线确实能够有效解决EMC问题。但如果差分线之间的信号发生偏移（时间差）或存在幅度差异，则两条线之间的信号平衡将被破坏，由此产生共模噪声。

▲差分线产生共模噪声的原理

在实际应用过程中，有以下几个主要因素会产生车载以太网的EMC问题：（1）芯片内部影响：SiP基板的布局走线、PINMAP设计、功率Ball与信号Ball的隔离度问题等等诸多因素（一般企业买的都是成品芯片，这部分内容不涉及，因此设计的重点在后面两种情况）；（2）信号链路周边板载器件（如开关电源电路）的近场感性或容性耦合；（3）差分传输链路不平衡（如布线长度不匹配、端口连接器阻抗差异等），越是高速的场景，任何微小差异都会被放大。

▲产生以太EMC问题的三个主要因素

由Maxwell方程及电偶极子辐射理论，可以推算出共模辐射（即电偶极子辐射）在远场处的最大场强。

其中，f为信号频率，L为辐射线缆长度，ICM为共模电流，r为测试距离。

▲电偶极子辐射模型

从理论公式来看，要降低Cable的共模辐射可以从降低信号频率f、缩短线缆长度L、降低共模电流ICM、增大测试距离r入手。但实际上真正能处理的只有共模电流大小和线缆长度，因为信号频率决定传输能力，测试距离则是EMC法规标准要求，这些都是很难推动改变的。

2.3 车载以太网EMC建模方法

场路协同仿真是EMC仿真中最常见的仿真方法，本例3D场仿真选择的是有限元法（FEM）的频域求解器，在200MHz的频率范围内对PCB和线缆模型进行AC频域仿真。

使用恩智浦的车载以太驱动 IC（TJA1100），下图为该IC的应用电路与PCB，包含了芯片、无源器件、走线和连接器等部件的离散端口与集总元件。

▲车载以太TJA1100应用_PCB 3D场仿真模型

▲车载以太TJA1100应用_场路联合仿真模型

2.4 车载以太网CE的解决方案

模型建好后，我们能从仿真中得到什么？假设车载以太EMC的VCE测试项超标了，共模噪声问题的solution是什么？

▲原始VCE仿真结果

2.4.1 VCE测试布置对结果的影响

有些老司机在做EMC测试整改时，能做到不加一颗电容就实现妙手回春，靠的就是“专业”的摆法。那么在这个案例中，摆线布置会有怎样的改善？

▲Cable不同间距下的VCE仿真结果

▲极限情况下，Cable垂直拉远的VCE仿真结果

综上，除了最后一种垂直拉远的摆法改善了几dB，其他情况则无改善。虽说EMC法规标准里，对VCE测试的线束布置没有明确要求，但是测试时把电源线拉那么长一圈，也属于奇葩做法。解决问题还是要从本质出发，歪门邪道不是根本解决途径。

2.4.2 以太网双绞长度对结果的影响

▲不同双绞长度下的VCE仿真结果

三个频谱对比结果：双绞至连接器的噪声更低一些，这也符合实际情况。很多人在做整改时，一般也会将电源线或信号线进行双绞处理，且会特别要求Connector to Connector两端的双绞质量。

2.4.3 Worst Case Design

▲通过将电源线分离（增大环路面积），可让信号线与电源线充分耦合

▲Worst Case Design（PCB+Connector+Power Cable）

在众多结果中，Worst-Case跟初始设计差了40dB有余。所以，掌握底层逻辑进行顶层设计很重要。与其在后端修修补补，不如在开始就选对大方向，事半功倍不是？

2.4.4 电源线上套磁环

加磁环也是众多老司机的最爱，尤其在电源线上，测试时各种负载先都套上了再说。

▲磁环位于线缆的头部与尾部

对比在线缆头部与尾部加磁环的两种情况发现：二者的结果非常相近，尖峰Peak值不变，但谐振频率比原始情况提前很多。根据1/2πsqrt(LC)，磁环增大电源线上的电感L，则f减小，使得包络尖峰提前（此处根据仿真结果强行分析）。

如此看来，本例中电源线套磁环是有好处的，因为VCE的标准里，低频段的限值线一般比高频宽松些。有时候就是差那么几个dB，包络尖峰往边前移那么一点，测试就过了。

2.4.5 线缆屏蔽

▲Cable完全屏蔽与不完全屏蔽对比

线缆的屏蔽层用PEC代替，通过仿真可以看到，对线缆进行屏蔽非常有效，并且靠近连接器位置的屏蔽层非常重要。这也是为什么，不管何种线缆只要是带了屏蔽层的，大家都会十分强调Cable端接位置的屏蔽层接地。

▲某系统的EMC安装要求（电缆屏蔽层夹子的360°接地 ）

关于屏蔽与非屏蔽线的共模电流路径对比：

▲屏蔽线的共模电流路径

▲非屏蔽线的共模电流路径

2.4.6 共模电感

前面是在线缆方面做优化，再说说单板上能不能做点事情。根据前文的电偶极子辐射理论公式，在共模激励电压不变的情况下，降低共模噪声可以通过增大链路的共模阻抗来实现，即增加CMC（共模电感，也叫共模扼流圈）。

CMC是两条相反方向的线绕在同一磁芯上而制成的，两线产生的差模电流磁通量相互抵消，因此对差模电流没有影响。两线为共模电流产生的磁通量则相互增强，因此起到增大共模感抗的作用，衰减共模噪声而不影响差分信号。

▲共模电感的滤波原理

▲共模电感端口示意及其计算公式

▲共模电感的频率特性

关于共模电感的选型需要考虑其频率特性，要求Sdd21最好为低损，Scc21、Scd21则最好为宽频带、高衰减。实际应用时，可根据共模噪声的频谱来定。比如，100Base-T1与1000Base-T1的差模信号所含频率成分不同，则适合的CMC模式转换特性也不同。

▲100Base-T1与1000Base-T1差模信号频谱

根据Murata提供的部分CMC器件的实测数据，Scc21在低频段抑制共模噪声的程度与Scd12在高频段抑制共模转换量的程度，会影响最终传导发射整体的测量结果。

再说说怎么在CST中进行共模电感的仿真。软件中没有共模电感模型，因此只能通过导入它的TouchStone或Spice模型。如果供应商没有提供，也可以用网分测得CMC的S4P文件。导入的方法之前的文章已有发布，可参考《元器件模型导入及其预仿真》。

为了方便仿真模型的后期维护（例如要对比不同CMC对仿真结果的影响），建议先在3D里加离散端口，然后在Schematic中导入CMC模型并连接。

▲仿真中给两个Port的信号设置时延

▲对比有无CMC、有无时延的情况

可以看到，CMC对时延导致的共模噪声抑制效果非常明显，峰值部分抑制超过20dB。这里，你还可以通过导入不同型号的共模电感模型来对比结果，验证前文所说的Scd21对共模噪声的抑制效果。

如果进一步研究，还可对共模电感的绕组结构进行设计与优化。以下这篇TDK公司的专利中提到，对于CMC中模式转换特性Scd的降低，很大程度与这两组绕线互相不同的匝间绕组的分布电容有关。这可以通过CST EM Studio工作室的（准）静电场仿真得到的，所以只要你想做细，任何一个因素都可以成为变量用于最终的噪声结果的对比。

▲US Patent：US9659701B2，TDK

2.5 车载以太网RE仿真方法

进行RE仿真需在3D场中添加Field Probe，以获取该位置上的场强大小，并通过CST自带的宏指令，自动绘制出所有Probe最高噪声的包络。

▲RE仿真设置与后处理方法

▲添加场探针

▲EMC宏指令结果后处理

▲车载以太网1m场仿真结果

同样地，可以进行上述CE仿真项的对比，不再赘述。

2.6 车载以太网BCI/CCE仿真方法

进行BCI仿真，需要用到电流钳模型。将你测试所用的电流钳进行3D建模，然后在馈点端口进行injection（mA），便可仿真得到芯片PIN脚上的电压电流波形。

▲BCI建模过程

▲BCI注入，IC上得到时域波形

相反地，若要进行CCE仿真，则在芯片PIN脚处加激励源，在电流钳处获取感应电流噪声（dBuA）。

3 开关电源仿真案例

开关电源是各类大小系统中电磁干扰的重灾区。关于电源EMC仿真的研究，相关的学术论文非常多，在工程上的应用也较为成熟。

小型化、高功率密度是电源技术追求的核心目标之一，其中减小功率电源体积最有效方法就是提高开关频率，因为提高dt能够极大地减小变压器与电感的体积。在第三代宽禁带半导体器件（GaN、SiC）得到广泛应用后，更高的dV/dt也带来更多的EMC问题。以下，简单介绍一个BUCK电源的EMC仿真案例。

3.1 电源EMC建模方法

开关电源EMC建模的核心是建立准确的功率器件与磁性器件模型。本文受篇幅影响，暂只介绍用理想开关来进行建模的情况，欢迎持续关注本号的后续推文。

▲BUCK电源_PCB 3D场仿真模型

▲BUCK电源_场路联合仿真模型

3.2 电源EMC仿真结果

这里对比电源在有无滤波模组的情况下的CE噪声以及电场分布，CE噪声尖峰呈开关频率的倍频分布，有滤波相比无滤波降噪约30dB。从电场分布来看，有滤波的情况，PCB表面场强整体要弱许多。

▲有无滤波器的仿真对比结果

4 电机驱动控制器仿真案例

电机驱动控制器的EMC仿真，其本质与开关电源属于同一类型仿真，毕竟开关电源、电机本体、电机控制都同属于电力电子学科的不同研究方向。2015年左右开始，电驱动EMC相关的课题研究论文非常多。这可能主要归功于新能源车的崛起，因为电车的核心就是三电系统：电池、电机、电控。

本章节原计划是介绍下电驱系统EMC的仿真，但三言两语可能介绍不清楚。这里就当为后续文章埋个伏笔，包括前面第3节的开关电源部分的EMC仿真，也可用ANSYS软件进行仿真，可以做到非常之细，后续有机会细写。

这里多嘴一句：我们在研究电驱EMC仿真时，更多时候是聚焦于控制器部分，而实际上电机本体的设计同样重要。比如，对电机绕组、齿槽结构等的优化设计，可以减小绕组的漏感等分布参数，直接为电机及其驱动控制系统的EMC/EMI奠定良好的基础。此外，在控制算法部分，由于电车处于不同状态下的控制策略也不同，因此算法部分对EMC同样存在影响，亦可结合Matlab/Simulink展开研究。

5 结语

文章的最后，还想再说一说关于仿不准的问题。EMC电磁仿真属于对无意发射、弱信号的仿真。相比SI/PI，EMC/EMI仿真更是个庖丁解牛的过程。仿真前要充分了解研究对象的系统架构和细节，单板上每一个器件的高频参数、壳体上每一处缝隙与搭接处的螺钉都很重要。仿真出来的包络与实测结果连趋势都对不上，一定是做的还不够细。像硬件开发追求一版成功，仿真也可以追求一版准确。

本文前述案例的仿真结果均不是绝对值仿真。意味着，这些仿真结果与实测结果仍存在较大的GAP。要实现完全的绝对值仿真，还需要进行一系列的数据处理和参数校正等操作，做绝对值仿真前最重要的是要评估有没有必要。另一方面，复杂系统中不止存在一个噪声源，绝对值仿真意味着你需要进行全模型仿真，要考虑噪声的矢量叠加等问题。这个不仅听起来复杂，做起来也困难，可以写篇高水平的硕博论文。

这两年火星人马斯克带火了一个既哲学又科学的名词，叫第一性原理。源于亚里士多德提出的一个观点，大致讲的是事物要回归本质，将其拆分成各个要素进行解构分析，从而找到实现目标最优路径的方法。回顾前面讲的案例，第一性原理尤其适用于EMC仿真。对于EMC行业的从业者而言，打补丁式的赤脚医生式的看病方法或许有一天会被电磁仿真所取代，回归到经典物理学最伟大的公式之一——麦克斯韦方程组。

6 参考资料

[1] Ethernet, Wikipedia.

[2] BroadR-Reach® Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications, Broadcom Corporation.

[3] TJA1100 datasheet, NXP Semiconductors.

[4] EMC Simulation for Automotive Ethernet, Tamara Monti.

[5] Bulk Current Injection Application Note, CST Studio Suite.

[6] 共模滤波器基础，Panasonic.

[7] Common Mode Filter, US9659701B2, TDK Crop.

[8] An Introduction to Noise Suppression in Onboard Ethernet 100Base-T1, Murata.

[9] Automotive Ethernet for ADAS Noise suppression measures for 1000Base-T1, Murata.

[10] Emissions Simulation for Power Electronics Printed Circuit Boards，Patrick DeRoy.
[11] 电路辐射干扰机理诊断与特性估计, 赵洋，电工技术学报.

关注“电磁学社”，让电磁仿真不再复杂！

• 关注回复 -

【资料】获取学习资料

【进群】加技术交流群

【咨询】产品解决方案