第16篇 EMC计算方法和EMC仿真(1) 计算方法简介

EMC计算方法概述

大家好!我是ROHM的稻垣。
本文是第16篇,从本文开始我们来谈一谈电磁兼容性(EMC)的计算方法和仿真。
说起EMC,毫不夸张地说,是否符合EMC国际标准是判断半导体集成电路(LSI)完善度的标准,也是是否采用相应产品的绝对条件。因此,负责EMC的工程师主要在用来测试试制品和量产品的EMC测试场地或消声室工作。在我们ROHM公司,在测试方面要求始终注意“测试的准确性和再现性”。如字面意思所表达的,测试准确性需要通过提高测试精度,追求接近真值的测试值,因此需要环境构建和测试技术。而测试再现性则意味着同一样品无论测试多少次都可以获得相同的测试值。由于EMC实测值的最大值和最小值范围很宽(例如60dB~100dB),因此在设计半导体集成电路(LSI)的电路时,对精度(比如0.1dB)要求不高也是一个特点。但是,这些都是非常重要的指标,而且这些指标与后面要介绍的EMC计算方法也密切相关。
关于EMC相关的计算方法,很多EDA供应商都出售电磁场分析工具,这些工具在EMC工程师中也有不同的用途。我认为其中最常见的用途是印刷电路板(PCB)的仿真。近年来,印刷电路板(PCB)的层数逐渐增多,有助于减少旨在消除EMC问题的试制次数和试制时间。如果能够通过仿真来判断是否符合EMC国际标准,那么对于LSI供应商来说无疑是非常方便的事,但目前世界上貌似还没有相应的仿真工具。
因此,我稍微调查了一下目前世界上有多少与EMC计算和仿真相关的概念。国际电工委员会(IEC)对半导体集成电路(LSI)的EMC模型进行了定义,并发布了下面的内容。顺便提一下,Part 5目前尚未定案。

IEC 62433标准

Part 1 概述
Part 2 ICEM-CE 传导发射模型
Part 3 ICEM-RE 辐射发射模型
Part 4 ICIM-CI 传导抗扰度模型
Part 6 ICIM-CPI 传导脉冲抗扰度模型

下面这两项是这些标准中非常重要的定义,是非常重要和基础的概念,既适用于传导,也适用于辐射。

IA模型(Internal Activity Model) ・・・ LSI的电磁干扰(EMI)模型
IB模型(Immunity Behavior Model) ・・・ LSI的误动作阈值(EMS)模型

有几种有效的计算方法。数据同化(Data Assimilation)是将实测值输入到模型中以获得高精度结果的技术,该技术已在天气预报和地震观测领域得到实际应用。最近的新闻报道称,日本理化学研究所RIKEN将利用这一数据同化技术,着手计算新型冠状病毒的流行感染情况。可以说它是实测值与计算值的融合技术,从以往的“只看实测”和“只看仿真”的思路中向前迈进了一大步。
此外,一种称为“降噪”(Noise Reduction)的方法也非常有效。在EMC现象中,实测值和计算值都是非常庞大的数据,如果直接使用针对每个频率的值,将很难得到预期的结果。因此,业内开发了这种降噪方法。不过这种方法具体执行起来很简单,就是对实测值和计算值进行包络检波(Envelope-demodulation),这种方法大大扭转了业内所面临的这种难题。
这些是关于EMC计算和EMC仿真的概念。另外,只要利用电路分析、电磁场分析、数值分析来创建shell脚本,似乎就可以尝试进行市场上还没有的EMC国际标准合规性判断。顺便提一下,在试行计算方法中,各种分析的区分使用如下:

传导发射和传导抗扰度: 电路分析+数值分析
辐射发射和辐射抗扰度: 电路分析+电磁场分析+数值分析

作为参考,在下面列出了目前电磁兼容性(EMC)的试行计算方法示例。由于主角是半导体集成电路(LSI),因此在这里无法计算到应用产品和系统,但业内为了逐步增加可以判断的EMC国际标准项目,正在推进相关的研究、开发和试行计算。从下一次开始,我将依次为大家介绍其中一些有代表性的计算方法。

分类 电磁干扰(传导发射和辐射发射,EMI)
LSI 传导 IEC 61967-4标准 1Ω/150Ω直接耦合法
传导 展频
消费电子 传导 CISPR32(旧CISPR22)标准 传导噪声
辐射 CISPR32(旧CISPR22)标准 3m法/10m法
车载 传导 CISPR25标准 电压法和电流探头法
辐射 CISPR25标准 ALSE法
分类 电磁敏感性(抗扰度,EMS)
LSI 传导 IEC 62132-4标准 DPI法
消费电子 传导 IEC 61000-4-2标准 静电放电模型
辐射 IEC 61000-4-3标准 射频电磁场辐射抗扰度
车载 传导 ISO 7637-2/-3标准,ISO 16750-2标准(车载蓄电池测试模型)
传导 ISO 11452-4标准 HE法(BCI法,TWC法)
辐射 ISO 11452-2标准 ALSE法
辐射 ISO 11452-9标准 便携式发射机

本次内容基本就是这些,可能有人注意到从本文开始我们探讨的内容难起来了。说实话,恐怕这个主题相关的内容仅凭这个专栏是不足以详细介绍完的。从事半导体集成电路(LSI)设计和对该领域感兴趣的读者,可以在参阅下面这本书的同时阅读本专栏的相关内容。

《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。
目前,关于半导体集成电路(LSI)的电磁兼容性(EMC)设计的出版物很少。本书尽可能地不使用数学公式,而是以通俗易懂的方式帮助读者俯瞰现象并掌握概念。关于EMC仿真,也是从基础写起的,希望大家可以将其作为本专栏的补充资料充分利用。此外,今后我将在专栏末尾列出用来补充本专栏所介绍内容的书籍参考页码,如下所示:

◆IEC 62433标准简介:第5章 通过现象验证半导体集成电路的电磁兼容性(1)p.124~
◆EMC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)p.139~

感谢您阅读本文。

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