CN101714184B - 一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统，该系统包括有干扰源模型参数提取单元(3)、传输线参数提取单元(4)、敏感元器件的灰盒模型参数提取单元(5)、行为级仿真模型(1)和敏感度分析单元(2)。该系统采用等效模型方法对敏感元器件的抗电磁干扰能力进行定量的描述，可以求解敏感元器件所承受的干扰电压分布函数，并能对该器件的敏感特性或抗干扰特性进行分析评估，从而实现电路板级电磁兼容敏感度的事先设计。

Description

一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模系统

技术领域

本发明涉及一种电磁兼容敏感度的分析，更特别地说，是指一种对电路板级电磁兼容敏感度行为级建模的分析，即针对电路板(PCB)上的敏感元器件建立敏感度定量分析的行为级模型(等效电路模型)的系统。这种电磁兼容敏感度行为级建模的方式能够实现对板级电磁兼容敏感度的事先评估。

背景技术

根据国家标准GB/T4365电磁兼容(EMC)术语中的阐述，电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容(EMC)包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两个方面。

电磁干扰(EMI)是电磁骚扰引起对设备、传输通道或系统性能的下降。

电磁敏感度(EMS)是指存在有电磁骚扰的情况下，设备或系统不能避免性能降低的能力。若电磁敏感度高，则抗扰度低，其实二者是一个问题的两个方面，即从不同角度反映设备或系统的抗干扰能力。

电磁兼容(EMC)一般可分为系统级、设备级、电路板级和芯片级四个方面。印制电路板也称PCB(Printed Circuit Board)板，是电子设备或系统的基本组成单元，其板级电磁兼容性在很大程度上决定了系统内部和系统之间的电磁兼容性。

行为级模型是指元器件在不知道内部参数的情况下所表现出来的外部特性的等效电路模型。

电路板级电磁兼容敏感度行为级建模的目的就是在不知道元器件内部参数的情况下进行电路板设计，分析出各个元器件之间的隔离度，计算出元器件可能受到的干扰值，与元器件的敏感度裕值进行对比以确定电路板设计是否合理，并预测可能将会出现的问题。

发明内容

为了能够在电路板级设计阶段对电磁敏感元器件所受到的干扰值进行量化表征，以及对敏感元器件的抗电磁干扰能力进行定量的描述，以实现板级电磁兼容敏感度的“事先评估”，以便及早发现可能出现的问题，为采取预防措施提供具体的技术指标，这将对板级电磁兼容设计具有重大的指导意义。本发明从三个方面进行考虑：(1)将复杂线缆、机箱等效源建模方法；(2)电路板敏感元器件的灰盒模型建模方法；(3)基于灰盒模型的电路板级多层次结构行为级仿真建模方法和关联矩阵技术。采用了等效模型方法对敏感元器件的抗电磁干扰能力进行定量的描述，从而实现电路板级电磁兼容敏感度的事先设计。

本发明是一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析的系统，该系统包括有干扰源模型参数提取单元3、传输线参数提取单元4、敏感元器件的灰盒模型参数提取单元5、行为级仿真模型1和敏感度分析单元2。

干扰源模型参数提取单元3首先对电路板级中复杂线缆、机箱等几何结构等效为一接收天线，然后应用矩量法获得接收天线的等效干扰源模型，最后采用FEKO获取等效干扰源模型U＝{V₀，R₀}；

传输线参数提取单元4采用有限元法提取PCB板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建传输通道的n端口矩阵模型 $Z=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{11}& Z_{12}& ...& Z_{1n}\\ Z_{21}& Z_{22}& ...& Z_{2n}\\ ...& ...& ...& ...\\ Z_{n1}& Z_{n2}& ...& Z_{\mathrm{nn}}\end{array}\right];$

敏感元器件的灰盒模型参数提取单元5采用多项式拟合逼近的方法对PCB板的IBIS数据表格中的参数进行拟合处理，从而获得灰盒等效电路模型U_V-I＝f(I₁，I₂，……，I_m)；

行为级仿真模型1根据等效干扰源模型U＝{V₀，R₀}、传输通道矩阵模型Z和敏感元器件的灰盒等效电路模型U_V-I＝f(I₁，I₂，……，I_m)构成得到电路原理图，从而得到电路原理图中各敏感元器件受到的敏感电压V_P；

敏感度分析单元2根据预测方程IM(I)＝V_p-V_y(I)对电路原理图进行电磁波干扰下的敏感度分析，若电磁波干扰下的敏感度IM(I)＜0，表示敏感设备处于兼容状态；若电磁波干扰下的敏感度IM(I)＝0，表示敏感设备处于临界状态；若电磁波干扰下的敏感度IM(I)＞0，表示敏感设备处于干扰状态。

本发明的电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统的优点在于：

(1)研究电路板级电磁兼容敏感度分析中，线缆、机箱等干扰源的等效源模型的建模方法，敏感元器件的灰盒等效电路模型建模方法；

(2)首次研究在PCB板上存在多个干扰源、多个敏感元器件情况下，传输通道复杂的关联矩阵关系；

(3)首次建立板级电磁兼容敏感度分析的行为级模型及分析方法；

(4)能定量分析板级电磁兼容敏感元器件的敏感度，可以求解敏感元器件所承受的干扰电压分布函数，并能对该器件的敏感特性或抗干扰特性进行分析评估，实现电路板级电磁兼容敏感度设计的“事先设计”。

附图说明

图1是本发明的电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统的结构框图。

图2是本发明的天线、壳体的等效电路图。

图3是本发明的传输通道模型的二端口网络图。

图4是本发明的敏感元器件的等效电路图。

图5是本发明的行为级仿真电路结构图。

图6是有干扰输入的仿真结果。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例子对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种对板级电磁兼容敏感度进行行为级建模分析的系统，该系统在板级设计阶段对敏感元器件建立敏感度定量分析的行为级模型，对敏感元器件的抗电磁干扰能力进行定量的描述，从而实现电路板级电磁兼容敏感度设计的“事先设计”，而不是目前普遍使用的“事后分析”。

参见图1所示，本发明是一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析的系统，该系统包括有干扰源模型参数提取单元3、传输线参数提取单元4、敏感元器件的灰盒模型参数提取单元5、行为级仿真模型1和敏感度分析单元2。

第一步，干扰源模型参数提取单元3首先对电路板级中复杂线缆、机箱等几何结构等效为一接收天线，然后应用矩量法获得接收天线的等效干扰源模型(如图2所示)，最后采用FEKO获取等效干扰源模型中的电压参数V₀(V₀＝E₀×l，E₀表示电磁波对线缆、机壳的照射下的电场强度，单位V/m，l表示线缆的长度，单位m)和电阻参数R₀(R₀＝ρl/S，ρ表示线缆所选材料的电导率，单位Ω·mm²/m，l表示线缆的长度，单位m，S表示线缆的横截面积，单位mm²)。在本发明中，等效干扰源模型采用集合表达形式为U＝{V₀，R₀}

第二步，传输线参数提取单元4采用有限元法提取PCB板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建传输通道的n端口矩阵模型Z， $Z=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{11}& Z_{12}& ...& Z_{1n}\\ Z_{21}& Z_{22}& ...& Z_{2n}\\ ...& ...& ...& ...\\ Z_{n1}& Z_{n2}& ...& Z_{\mathrm{nn}}\end{array}\right];$ 其中，

Z₁₁表示第一端口的自阻抗，

Z₁₂表示第一端口与第二端口之间的互阻抗，

Z_1n表示第一端口与第n端口之间的互阻抗，

Z₂₁表示第二端口与第一端口之间的互阻抗，

Z₂₂表示第二端口的自阻抗，

Z_2n表示第二端口与第n端口之间的互阻抗，

Z_n1表示第n端口与第一端口之间的互阻抗，

Z_n2表示第n端口与第二端口之间的互阻抗，

Z_nn表示第n端口的自阻抗。

在本发明中，一个控制系统所需的控制电路可以是由多层PCB板构成，而每一层PCB板上将设置有多个电子元器件，而电子元器件之间的电连接则称为传输通道。参见图3所示，该图为一个有输入、输出的二端口的传输通道模型示意图。

第三步，敏感元器件的灰盒模型参数提取单元5采用多项式拟合逼近的方法对PCB板的IBIS数据表格中的参数进行拟合处理，从而获得灰盒等效电路模型(如图4所示)U_V-I＝f(I₁，I₂，……，I_m)，f表示输入至灰盒等效电路的频率，I₁表示第一层PCB板敏感到的电流参数，I₂表示第二层PCB板敏感到电流参数，I_m表示第m层PCB板敏感到的电流参数。

第四步，行为级仿真模型1根据等效干扰源模型U＝{V₀，R₀}、端口矩阵模型Z和敏感元器件的灰盒等效电路模型U_V-I＝f(I₁，I₂，……，I_m)中的各参数构成得到电路原理图(如图5所示)，从而得到电路原理图中各敏感元器件受到的敏感电压V_P。

第五步，敏感度分析单元2根据预测方程IM(I)＝V_p-V_y(I)(IM(I)表示在有电磁波I的干扰下的敏感度，V_P表示敏感元器件敏感到的电压，V_y(I)表示敏感设备在有电磁波I的干扰下的敏感度阈值)对电路原理图进行电磁波干扰下的敏感度分析，若IM(I)＜0，表示敏感设备处于兼容状态；若IM(I)＝0，表示敏感设备处于临界状态；若IM(I)＞0，表示敏感设备处于干扰状态。

本发明的一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统，该系统是在不知道元器件内部参数的情况下进行电路板设计，分析出元器件之间的隔离度，并计算出元器件可能受到的干扰值，与元器件的敏感度阈值进行对比，以确定设计是否合理，预测可能将会出现的问题。这个方法包括三个方面的内容：(1)在电路板级电磁兼容敏感度分析中复杂线缆、机箱等几何结构的等效源建模方法；(2)电路板敏感元器件的灰盒模型建模方法；(3)基于灰盒模型的电路板级多层次结构行为级仿真建模方法和关联矩阵技术。

电路板级电磁兼容敏感度的行为级建模方法，将可以在板级设计阶段对敏感元器件处受到的干扰值进行量化表征，对敏感元器件的抗电磁干扰能力进行定量的描述，可以实现板级电磁兼容敏感度的“事先评估”，以便及早发现可能出现的问题，为采取预防措施提供具体的技术指标，这将对板级电磁兼容设计具有重大的指导意义。

实施例1：

参见图5所示，在FEKO中建立电缆的模型，并对它进行电磁波照射，建立它所对应的电源模型。模型中电缆(良导体)长度L为0.6m，电缆半径r为1mm，5V/m的平面电磁波(干扰源)垂直照射到电缆上。

依所构建的电源模型，得到电缆的近场电场强度为0.11186V/m，电缆上由于电磁感应而产生的电压V₀为0.067V，该电压就是由电缆的近场电场强度乘以电缆的长度得来。

当用铜作为电缆的材料时，铜的电导率ρ为0.91851Ω·mm²/m，电缆长度L为0.6m，电缆半径为1mm，则电缆的等效电阻R1的值为0.1755Ω(R1＝ρL/S，S＝3.14πr²)，这样就可以建立出电缆的等效电压源电路。

使用Siwave将PCB板图等效为二端口网络，如图3所示，图中所示，port1-pos端为输入的正极，port1-neg端为输入的负极，port2-pos端为输出的正极，port2-neg端为输出的负极。

基于IBIS模型可以得到如图4所示的电路原理图，图中的in端为信号的输入端，out端为信号的输出端。芯片的电源电压为+5V。

在Designer中进行联合仿真，电路图如图5所示，选用DS1210非易失控制器芯片的IBIS模型可以得到如图5所示的电路原理图，图中：DS1210非易失控制器芯片的电源电压为+5V，输入信号(in端)的电压值应在-0.3V到7V之间。

在图5中，V₁电压处输出的电压波形为正弦波，该V₁电压经二端口网络后则输出的V₂电压为幅度逐渐增强的正弦波。当有干扰信号输入时，则V₃电压为不规则的曲线。V₁、V₂和V₃的电压特性可以从图6中对应的A线段、B线段和C线段直观观察可知电压特性。

为了能够清楚地说明干扰信号造成的影响，其仿真结果如图6所示。

在图6中，A线段为电缆上产生的干扰信号(即V₁电压)，是幅度为5V、频率为300mHz的正弦波。B线段为干扰信号经过一段延迟线之后的信号(即为V₂电压)，此为直接输入到DS1210非易失控制器芯片输入端的信号，此信号为幅度逐渐增强的正弦波(在1.97纳秒处的幅度为9.38V，在5.63纳秒处的幅度为19.93V，在9.21纳秒处的幅度为19.97V)。C线段为DS 1210非易失控制器芯片输出端的信号(即V₃电压)，该信号为不规则的曲线(在1.78纳秒处的幅度为0.31V，在3纳秒处的幅度为1.15V，在6.68纳秒处的幅度为1.56V，在9.66纳秒处的幅度为0.88V)。

Claims (2)

1.一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统，其特征在于：该系统包括有干扰源模型参数提取单元(3)、传输线参数提取单元(4)、敏感元器件的灰盒模型参数提取单元(5)、行为级仿真模型(1)和敏感度分析单元(2)；

干扰源模型参数提取单元(3)首先对电路板级中复杂线缆、机壳的几何结构等效为一接收天线，然后应用矩量法获得接收天线的等效干扰源模型，最后采用FEKO获取等效干扰源模型U＝{V₀，R₀}，其中V₀＝E₀×l，R₀＝ρl/S，V₀表示等效干扰源模型中的电压参数，R₀表示等效干扰源模型中的电阻参数，E₀表示电磁波对线缆、机壳的照射下的电场强度，单位V/m，l表示线缆的长度，单位m；ρ表示线缆所选材料的电导率，单位Ω·mm²/m，S表示线缆的横截面积，单位mm²；

传输线参数提取单元(4)采用有限元法提取PCB板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建传输通道的n端口矩阵模型

其中，Z₁₁表示第一端口的自阻抗，Z₁₂表示第一端口与第二端口之间的互阻抗，Z_1n表示第一端口与第n端口之间的互阻抗，Z₂₁表示第二端口与第一端口之间的互阻抗，Z₂₂表示第二端口的自阻抗，Z_2n表示第二端口与第n端口之间的互阻抗，Z_n1表示第n端口与第一端口之间的互阻抗，Z_n2表示第n端口与第二端口之间的互阻抗，Z_nn表示第n端口的自阻抗；

敏感元器件的灰盒模型参数提取单元(5)采用多项式拟合逼近的方法对PCB板的IBIS数据表格中的参数进行拟合处理，从而获得灰盒等效电路模型U_V-I＝f(I₁，I₂，……，I_m)，f表示输入至灰盒等效电路的频率，I₁表示第一层PCB板敏感到的电流参数，I₂表示第二层PCB板敏感到电流参数，I_m表示第m层PCB板敏感到的电流参数；

行为级仿真模型(1)根据等效干扰源模型U＝{V₀，R₀}、端口矩阵模型Z和敏感元器件的灰盒等效电路模型U_V-I＝f(I₁，I₂，……，I_m)中的各参数构成得到电路原理图，从而得到电路原理图中各敏感元器件受到的敏感电压V_P；

敏感度分析单元(2)根据预测方程IM(I)＝V_p-V_y(I)对电路原理图进行电磁波干扰下的敏感度分析，若电磁波干扰下的敏感度IM(I)＜0，表示敏感设备处于兼容状态；若电磁波干扰下的敏感度IM(I)＝0，表示敏感设备处于临界状态；若电磁波干扰下的敏感度IM(I)＞0，表示敏感设备处于干扰状态；其中，IM(I)表示在有电磁波I的干扰下的敏感度，V_P表示敏感元器件敏感到的电压，V_y(I)表示敏感设备在有电磁波I的干扰下的敏感度阈值。

2.根据权利要求1所述的电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统，其特征在于：该电路板级电磁兼容敏感度行为级建模分析系统是在不知道元器件内部参数的情况下进行电路板设计，分析出元器件之间的隔离度，并计算出元器件可能受到的干扰值，与元器件的敏感度阈值进行对比，以确定设计是否合理，预测可能将会出现的问题。

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