第21篇 EMC计算方法和EMC仿真(6) 辐射抗扰度(RI)的试行计算方法

大家好!我是ROHM的稻垣。

第21篇是磁兼容性(EMC)的计算方法和仿真系列的第6篇,我们将介绍辐射抗扰度(RI: Radiated Immunity)的试行计算方法。在车载电子产品的电磁兼容性(EMC)相关的“ISO 11452-2标准中,称为 ALSE法(Absorber-lined shielded enclosure)”。

该方法是将车载蓄电池、线路阻抗稳定网络、线束、DUT(测试对象)等配置在基准接地面上,从距离DUT(测试对象)1米处的天线施加电磁噪声(电场),然后判断DUT是否发生误动作。CISPR25标准的ALSE法是观测来自线束等的辐射抗扰度,而ISO 11452-2标准的ALSE法则是观测针对线束等的辐射抗扰度,所以两者的现象是相反的。

关于预测计算,如果环境是可以通过CISPR25标准ALSE法进行计算的环境,那么就需要更改一些设置,但我认为CAD等数据几乎可以直接使用。计算对象除上述项目外,还包括天线信号源(电场)、EMC对策元器件(此处为电容元件C)、DUT(LSI模型,无源器件)、合规性判断装置等。

在本文中,我们将结合使用电磁场分析和电路分析进行计算。计算的大致思路是通过电磁场分析,根据天线的电场强度计算出与线束相连接的印刷电路板(PCB)的感应电压。根据该感应电压和到达DUT(LSI引脚)的电压,通过电路分析判断是否存在误动作。简而言之,由电磁场分析负责辐射系统(在空气中传播信号的部分),由电路分析负责传导系统(在导线中传输信号的部分)。

电磁场分析(MoM法)的CAD数据和计算结果示例

车载蓄电池、线路阻抗稳定网络、线束、DUT的描述示例

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 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。电磁场分析的电路图参考上图即可。电路分析的电路图与IEC 62132-4标准DPI法(第19篇)中使用的电路图几乎相同。
  2. ② 在这个试行计算中,希望将测试频率范围200MHz~1GHz、电场强度200V/m用作限值。由于Pass/Fail的判定就是测试结果,所以与第20篇 ISO 11452-4标准HE法(BCI 法)一样,将Pass设置为200V/m,将Fail设置为100V/m,并将其用作预测计算所使用的实测值。将Pass/Fail的实测判定结果转换为数值并用于计算。
  3. ③ 将②中创建的电场强度(所有测试频率)作为电磁场分析的天线信号源(电场)施加,并计算在装有DUT(测试对象)的印刷电路板(PCB)上感应的电压值。
  4. ④ 接下来,通过电路分析(瞬态分析,所有测试频率)计算到达印刷电路板(PCB)上的DUT(LSI引脚)的电压,并将其用作IB(误动作阈值)模型。如下图所示,误动作的电压阈值按一定周期波动的线束特性在图中得到了很好的体现。另外,在这个阶段,需要计算出“电场强度与感应电压的相关系数”。这样,根据实测值自动生成计算机模型,将非常有助于“缩短计算时间”和“提高计算精度”。

IB(误动作阈值)模型的计算示例

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 创建电路分析所用的预测计算用电路。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的电压值和IB(误动作阈值)进行比较。
  2. ⑥ 首先,将电压噪声信号源设置为衰减振动波形并进行电路分析(瞬态分析),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。在所有测试频率重复该步骤。
  3. ⑦ 在衰减振动波形中获得发生误动作的电压值,就可以根据之前计算出的“电场强度与感应电压的相关系数”计算出发生误动作的电场强度。这就是所要的预测计算值。通过使用相关系数,可以省略电磁场分析,从而可以缩短计算时间。
  4. ⑧ 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。实测值与计算值高度一致!
  5. ⑨ 在EMC对策电路中,通过电路分析添加了电容元件C,以降低到达DUT(LSI引脚)的电压噪声。当时的预测计算结果如右下图所示。如果计算值达到200V/m以上,则表明该值应该是符合标准的预测计算值。如果仔细观察,可以看出在200MHz~220MHz附近需要再采取一些EMC措施,而更高频段则无需EMC措施。

左:IB(误动作阈值)模型创建电路的预测计算示例
(实测值与计算值一致,黑色:实测值,红色:计算值,蓝绿色:限值)

右:EMC对策电路(添加电容元件C时)的预测计算示例
 (黑色:实测值,红色:计算值,蓝绿色:限值)

如上所述,即使使用普通的电磁场分析工具和电路分析工具,通过将计算结果自动保存为文本文件(ASCII)并通过(shell)脚本传递,就可以相对容易地实现设计自动化和验证自动化。

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。

  • ◆辐射抗扰度(RI)计算验证:
    第6章 通过现象验证半导体集成电路的电磁兼容性(2) pp.160~164

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