第20篇 EMC计算方法和EMC仿真(5)

エンジニアコラム

第20篇 EMC计算方法和EMC仿真(5)
传导抗扰度(CI)的试行计算方法

什么是ISO 11452-4标准HE法?

大家好!我是ROHM的稻垣。

第20篇也是关于电磁兼容性(EMC)的计算方法和仿真相关的内容。本文为该系列的第(5)篇,将介绍是传导抗扰度(CI: Conducted Immunity)的试行计算方法。这是涉及到汽车电子产品的电磁兼容性(EMC)特性的方法,即“ISO 11452-4标准HE法(Harness Excitation Method,线束激励方法)”。

在ISO 11452-4标准中,HE法包括BCI(Bulk Current Injection,大电流注入)法和TWC(Tubular Wave Coupler,管波耦合)法两种。这两种方法都是通过将电磁噪声施加于线束(模拟车辆中的电线走线),来判定DUT(测试对象)的误动作程度。BCI法是通过电流注入探头施加0.1MHz~400MHz电流噪声的一种测试方法,而TWC法则是通过耦合器施加400MHz~3GHz功率噪声的测试方法。本文将介绍BCI法的预测计算相关内容。

ISO 11452-4标准的BCI法是一种与上一篇文章中介绍的IEC 62132-4标准的DPI法有很大不同的测试方法。DPI法是一边上下调整行波功率值,一边高精度地测量 DUT(测试对象)的抗扰度。而BCI法则是施加比如200mA的电流噪声,并在所有频段测试是否会发生误动作。因此,测试结果会按照每个频率来判定Pass/Fail。

我认为在进行预测计算时,DPI法更容易处理。如果通过BCI法获得Pass/Fail的测试结果,我认为如何在电路分析(SPICE仿真)中将结果体现出来是一个很困扰人的问题。在这里,我会对相应内容进行讲解。这种BCI法的预测计算是在不使用电磁场分析的情况下进行的。对于可以通过电路分析解决的现象而言,采用BCI法能在短时间内进行预测计算(此次的CPU时间约为2分钟)。

计算对象包括车载电池、线路阻抗稳定网络(LISN)、线束(三线制:电源线、接地线、输出线)、电流注入探头、负载、EMC对策部件(这里为电容元件C) 、DUT(LSI模型)、电流噪声源、合规性判断装置等。此外,这次也将通过基于测量值创建计算机模型(仿真模型)的方法来实现。

下面我按照顺序来逐一讲解。在试行计算中,分两个阶段进行处理,第一阶段的IB(误动作阈值)模型提取(Extraction)和第二阶段的预测计算(Prediction)分别使用shell脚本来自动完成。第一阶段IB(误动作阈值)模型提取(Extraction)的计算步骤如下。

■第一阶段:IB(误动作阈值)模型提取(Extraction)

  1. ① 与第19篇中一样,首先,根据上述计算对象制作计算电路图,即直接连接测试电路使其成为计算电路的示意图。电流注入探头和线束在电路分析中通过变压器耦合来体现。由于是三线制的,因此通过从属方式连接3个变压器,可以将电流噪声均匀地施加到每条线路上。另外,用LCR测试仪测量DUT(测试对象)LSI引脚之间的阻抗,并根据其电气特性创建LCR(无源器件)电路(这里是关键点!)。
  2. ② 接下来,将测量结果转换为数值,以便对其进行电路分析。例如,假设施加200mA的电流噪声时,有Pass的频率和Fail的频率。我们将Pass的频率的测试值设置为200mA,将Fail的频率的测试值设置为100mA(Pass时的1/2值,也可根据经验酌情更改)。这样,我们就成功创建了一个即使在电路分析中也易于处理的数字文件(这也是关键点!)。
  3. ③ 将②中得到的电流值作为信号源,通过电路分析(瞬态分析)计算出一个频率的IB(误动作阈值)(到达LSI端的电流)。当电流达到大于通过计算得出的电流值时,DUT(测试对象)会发生误动作;当电流小于通过计算得出的电流值时,不会发生误动作,该值也就是误动作阈值。
  4. ④ 在所有频率重复③中的操作。只要设置为可以通过(Shell)脚本或宏反复执行,那么即使分析次数很多,也可以一次性执行。将结果保存为文件并在频率轴上绘制曲线图,显示如下:

IB(誤動作閾値)モデルの計算例
IB(误动作阈值)模型的计算示例

另外,请注意,IB(误动作阈值)模型是被限制的固有电流值,值取决于计算电路图和LSI模型(阻抗特性)。通过与计算电路图或LSI模型一起使用,它就成为可以在计算机上复现测量时误动作的计算机模型(仿真模型)。(在这里,根据客户的要求,支持1MHz~1GHz)

第二阶段的预测计算(Prediction)步骤如下:

■第二阶段:IB(误动作阈值)模型提取(Extraction)

  1. ⑤ 创建预测计算用的电路。与IB(误动作阈值)模型提取电路之间的区别在于添加了误动作判定器(比较器)。通过误动作判定器(比较器)对到达LSI的电流值和IB(误动作阈值)进行比较。
  2. ⑥ 接下来,将电流噪声的信号源设置为阻尼振动波形。对于SPICE而言,创建阻尼振动波形是比较简单的。与第19篇DPI法中使用的电流换算方法相同。
  3. ⑦ 在电路分析(瞬态分析)中,执行了1个频率的分析,即可获得比如LSI从误动作状态转变为非误动作状态的情况。在所有频率重复该步骤。
  4. ⑧ 在阻尼振动波形中作为误动作阈值的电流值,就是所要的预测计算值。左下图为使用与EMC对策前的IB(误动作阈值)模型提取电路相同的电路进行预测计算后的曲线图。实测值和计算值大致相同。低频部分有较小的计算误差,这是因为IB(误动作阈值)模型的值非常小。在高频侧,准确地再现了被判定Fail的100mA的计算值。
  5. ⑨ 添加EMC对策电路(这里使用了2个三端电容器C。与普通的二端电容器相比,这种电容器具有寄生电感L更小的特点)后,预测计算的结果如右下图所示。如果预测计算值达到200mA以上,则表明该值应该是符合标准的预测计算值。特别要注意的是,EMC对策之前的100mA部分,已经被改善到与其他200mA部分同等的水平。如上所述,可以看出,通过添加电容元件,使LSI的误动作水平得到了改善。

左:IB(誤動作閾値)モデル作成回路での計算予測例

左:IB(误动作阈值)模型创建电路的预测计算示例
(实测值与计算值大致一致,黑色:实测值,红色:计算值,蓝色:限值)

右:EMC対策回路(C=0.1uF, 0.47uF接続時)の計算予測例

右:EMC对策电路(添加C=0.1uF和0.47uF时)的预测计算示例
(黑色:实测值,红色:计算值,蓝色:限值)

在该示例中,验证了1MHz~1GHz、200mA以上的抗误动作能力。从结果可以看出,无论图中的蓝线(标准限值)怎样,在所有频段的抗误动作能力均有提高。

(在ISO 11452-4标准中,1MHz~400MHz范围的1MHz~3MHz和200MHz~400MHz的限值稍微宽松一些。此外,在0.1MHz~1MHz也设有限值。)

感谢您阅读本文。

<书籍参考页码>
《LSI的EMC设计》,科学信息出版株式会社,2018年2月第一版,ISBN978-4-904774-68-7。

  • ◆传导抗扰度(CE)仿真简介:
    第6章 通过现象验证半导体集成电路的电磁兼容性(2) pp.147~149

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