CN103488840A

CN103488840A - 一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法

Info

Publication number: CN103488840A
Application number: CN201310449455.7A
Authority: CN
Inventors: 肖文静; 唐健; 王多平; 边晓光
Original assignee: Dongfang Electric Corp
Current assignee: DONGFANG ELECTRIC Co Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103488840B

Abstract

本发明涉及电磁兼容领域，具体是指一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，采用电路模型提取和模块化建模，对某控制电路板的电源线端口处的传导干扰进行量化分析；通过对电路板上各段线路、主要干扰芯片和电源模块等分别进行计算和等效，获取各器件的干扰噪声源、等效电阻R、电感L、电容C、电导G参数和内部逻辑电路，分别进行模块化封装，从而构建整个电源系统的等效电路模型，并通过电路仿真即可获得电源线上各点的传导干扰波形和量化频谱；本发明可以在设计前期对印制电路板上关键线路的传导电磁干扰频率和幅度进行量化分析，找出电磁兼容性差的部分进行优化设计，降低整个电路板的电磁干扰程度，从而可以降低研发周期和成本。

Description

一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容领域，具体是指一种对印制电路板级电磁兼容中传导电磁干扰的幅度和频率进行建模分析和量化预测的系统和方法。

背景技术

根据国家标准 GB/T4365 电磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)术语中的定义，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。电磁干扰（EMI）包括传导干扰和辐射干扰两部分，其中传导干扰是指电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。

印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）是电力电子系统的基本组成部分，其板级电磁兼容性直接影响整个系统的电磁兼容性能。

随着电力电子系统拓扑和内部结构日趋复杂，其电磁兼容性问题也日益突出，其中印制电路板的传导电磁干扰直接影响了整个系统的电磁兼容性能。目前在工程中，印制电路板的电磁兼容性设计一般采用工程经验方法，其传导干扰数据都是在制板完成调试结束后获取的。一旦出现电磁兼容问题，一般需要重新设计和制板，影响了研发周期和成本。

发明内容

本发明为解决上述技术难题，提供了一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，目的在于，在设计前期对印制电路板上关键线路的传导电磁干扰频率和幅度进行量化分析，找出电磁兼容性差的部分进行优化设计，降低整个电路板的电磁干扰程度，从而可以降低研发周期和成本。

本发明的技术方案如下：

一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统，其特征在于：包括干扰芯片有源和无源参数提取单元、干扰源模型参数提取单元、复杂传输线网络参数提取单元、矩阵式负载参数提取单元、系统级模型仿真单元和传导骚扰量化分析单元；

干扰芯片有源和无源参数提取单元用于将印制电路板上的电源模块、关键干扰芯片、有源器件、无源器件分别等效为谐波噪声模型、干扰源模型、有源电路模型和无源电路模型；

干扰源模型参数提取单元用于提取所述谐波噪声模型和干扰源模型参数，根据谐波噪声模型和干扰源模型的实际特性，构建为等效噪声源模型；

复杂传输线网络参数提取单元通过计算和测试提取印制电路板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建多端口模型，得到传输线网络多端口阻抗矩阵；

Figure 2013104494557100002DEST_PATH_IMAGE001

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

矩阵式负载参数提取单元用于将电路板上非关键干扰电路等效为多节点矩阵式负载模型，并进行模块化封装；

系统级模型仿真单元用于将有源电路模型、无源电路模型、噪声源模型、传输线网络多端口阻抗矩阵和多节点矩阵式负载模型通过电路原理组合起来，构建电路仿真模型，从而得到线路上各节点处的噪声电压波形；

传导骚扰量化分析单元用于将系统级模型仿真单元中得到的噪声电压波形转换为噪声电压频谱Vn = f1(frq)，并与实际采用的电磁兼容标准线Vref = f2(frq)比较，从而获得实际电路板传导电磁干扰超标频率段和各频率点的噪声电压幅值超标量dV ，dV=Vn – Vref；其中，Vn为各频率点的噪声电压幅值，frq 为频率，Vref 为各频率点的噪声电压标准限值。若 dV 在全频率段均小于0，则该电路板具有良好的传导电磁干扰性能；若 dV在全频率段有大于0的部分，则该电路板的传导电磁干扰性仍需进一步优化。

所述干扰芯片有源和无源参数提取单元将电源模块等效为谐波噪声模型，该模型与电源模块的开关频率相关；将关键干扰芯片等效为干扰源模型；将有源器件等效为包含有源器件内部逻辑电路的 SPICE 模型和包含有源器件引脚封装寄生参数的 IBIS 模型，所述SPICE 模型通过芯片手册构建，所述IBIS 模型包含了关键干扰芯片的各引脚的寄生电阻R、电感L、电容C、电导G参数；将无源器件等效为包含寄生参数的无源电路模型。

根据各器件实际特性，等效噪声源模型包括但不仅限于：恒功率电压源、变功率电压源 U = f(P)、压控电流源 I = f(U)、周期性脉冲源（周期Ts、上升时间tr、下降时间tf）、伪随机码脉冲源（PRBS，脉宽Tn，位码）等。

所述系统级模型仿真单元得到的多端口阻抗矩阵 Z可以转换为多端口散射参数S矩阵，S参数矩阵中的插入损耗和回波损耗直接反映了输入信号在传输线网络上的反射情况。

所述矩阵式负载参数提取单元根据各非关键干扰电路的功率、电压、电流和寄生参数，分别等效为 RLC 电路，并构建多端口负载网络。

根据上述系统实现的方法，步骤如下：

本发明从以下各方面进行电路建模：（1）电源模块的谐波噪声源等效方法；（2）关键芯片的干扰源等效方法；（3）非关键器件的有源电路和无源电路建模方法；(4) 电路板复杂传输线网络的多端口等效建模方法；(5) 多级线路节点的矩阵式负载等效建模方法。采用等效电路建模方法，可以对电路板的传导骚扰频谱和幅度进行量化预测。

本发明采用电路模型提取和模块化建模的方法，对某控制电路板的电源线端口处的传导干扰进行量化分析；通过对电路板上各段线路、主要干扰芯片和电源模块等分别进行计算和等效，获取各模块的等效电阻R、电感L、电容C、电导G参数和内部逻辑电路，并分别进行模块化封装，从而构建整个电源系统的等效电路模型。通过电路仿真即可获得电源线上各点的传导干扰波形和量化频谱。

具体实施方法如下：

步骤1：构建电源模块的等效谐波噪声模型，该模型与电源模块的开关频率相关；分析电源模块输出电压波形，得到开关频率和整数倍开关频率处的纹波电压峰值，等效为谐波噪声模型；

步骤2：构建关键干扰芯片的等效干扰源模型，该模型与关键干扰芯片的工作状态相关；分析关键干扰芯片的工作频率、工作电压和工作电流，将其等效为电压干扰源模型和电流干扰源模型；

步骤3：构建有源器件的等效有源电路模型，由基于芯片内部逻辑电路的 SPICE 模型和基于芯片引脚封装参数的 IBIS 模型组成；所述SPICE模型一般包括与/或/非门、三极管、上拉/下拉电阻、电流源和三态门，通过有源器件的用户手册构建；所述IBIS 模型一般包括电源引脚、地引脚、输入引脚和输出引脚，包含了有源器件各引脚的寄生电阻R、电感L、电容C、电导G参数；

步骤4：构建无源器件的等效无源电路模型；各无源器件等效为包含器件主参数和寄生参数的R、L、C、G无源电路模型；

步骤5：构建复杂传输线网络的多端口阻抗矩阵；将电路板每段线路等效为各无源二端口网络模型，包括输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，并按照电路串并联逻辑组成多端口阻抗矩阵；所述各无源二端口网络模型内部为电阻R、电感L、电容C、电导G参数，所述电阻R、电感L、电容C、电导G参数通过分析线路的材料、结构和尺寸并计算获得；

步骤6：构建非关键干扰电路的多节点矩阵式负载模型；通过对非关键干扰电路的电源和负载特性进行分析，将电路等效为包含等效串联负载的电压源和包含等效并联负载的电流源，并封装为多节点矩阵式负载模型；

步骤7：提取干扰源模型的等效噪声源；将电源模块的等效谐波噪声模型和关键干扰芯片的等效干扰源模型等效为不同的噪声源，包括但不仅限于：恒功率电压源、变功率电压源 U = f(P)、压控电流源 I = f(U)、周期性脉冲源、伪随机码脉冲源模型；

步骤8：构建系统级仿真模型；将上述电源模块的等效谐波噪声模型、关键干扰芯片的等效干扰源模型、有源器件的等效有源电路模型、无源器件的等效无源电路模型、复杂传输线网络的多端口阻抗矩阵、非关键干扰电路的多节点矩阵式负载模型根据电路逻辑组合起来，构建电路原理图，通过电路仿真即可得到线路上各节点处的噪声电压波形；

步骤9：传导骚扰量化分析；将仿真得到的线路节点噪声电压波形进行FFT分析，转换为噪声电压频谱Vn = f1(frq)，并与实际采用的电磁兼容标准线Vref = f2(frq)比较，从而获得实际电路板传导电磁干扰超标频率段和各频率点的噪声电压幅值超标量dV ，dV=Vn – Vref；其中，Vn为各频率点的噪声电压幅值，frq 为频率，Vref 为各频率点的噪声电压标准限值。

本发明的有益效果如下：

1、研究电路板级传导电磁干扰中，干扰芯片的等效方法，复杂网络线路的多端口等效方法和矩阵式负载等效方法，以及骚扰源等效方法。

2、同时考虑了干扰芯片的内部逻辑和引脚寄生参数，可以更精确地模拟其电路工作模式和噪声骚扰。

3、研究在复杂电路网络和复杂骚扰源情况下的传导干扰，通过电路分析和模块化封装，将复杂的系统简化为基于关键线路分析的电路模型。

4、能定量分析复杂电路板系统上各节点的传导干扰波形和频谱，在设计分析阶段即可对电路板进行优化设计，从而改善系统性能并节约成本。

附图说明

图1 是本发明的电路板级传导电磁干扰建模系统框图；

图2 是本发明中噪声源芯片内部逻辑的等效电路图；

图3 是本发明的噪声源芯片封装参数的等效电路图；

图4 是本发明的电路板线路的等效传输通道二端口网络；

图5 是本发明的非关键器件的干扰源等效电路；

图6 是本发明的系统级传导骚扰电路模型；

图7 是本发明的仿真结果。

具体实施方式

实施例1

本发明是一种对电路板级传导电磁干扰进行量化建模分析的系统，该系统可对电路板上各关键干扰电路和非关键干扰电路进行等效建模，从而在设计阶段对电路板传导干扰性能进行优化。

图1 是本发明的电路板级传导电磁干扰建模系统，该系统包括干扰芯片有源、无源参数提取单元1，复杂传输线网络参数提取单元2、矩阵式负载参数提取单元3、干扰源模型参数提取单元4、系统级模型仿真单元5和传导骚扰量化分析单元6。

将电路板上的电源模块等效为谐波电压源。电源模块的主要谐波为开关频率及其高次谐波，实际选用电源模块的开关频率为 300kHz，因此将其等效为 300kHz 和 600kHz 的谐波源。

该电路板关键干扰电路包括 PWM 输出电路和高速 CAN 通信电路。将关键干扰电路划分为干扰源、干扰芯片和输出负载三部分，并分别对其等效。

其中，PWM 输出电路的谐波源可用脉冲源来模拟，实际中 PWM 频率为 5kHz，其上升延迟为 5ns，下降延迟为 8ns，可以采用定脉宽脉冲源来模拟噪声源，其谐波特性与实际工作相差不大。高速 CAN 通信电路的谐波源可用伪随机脉冲源来模拟，实际中 CAN 通信波特率为 500kBit/s，其上升延迟为 55ns，下降延迟为 60ns，可以采用伪随机码来模拟噪声源。

PWM 输出芯片和 CAN 转换芯片的逻辑电路采用 SPICE 模型，其内部逻辑电路图如图2 所示。PWM 输出芯片和 CAN 转换芯片的引脚封装电路采用IBIS 模型，如图 3 所示。该模型中包含了引脚的寄生 R、L、C、G参数。

将电路板的各段线路分别等效为二端口网络，如图4 所示，其中 Port1_P端为输入的正极，Port1_N 端为输入的负极，Port2_P 端为输出的正极，Port2_N 端为输出的负极。二端口网络的电压和电流可以用Z参数矩阵（开路阻抗矩阵）方程来表示，即：

其中：

二端口的 S 参数中的插入损耗和回波损耗可以反映信号在传输线网络上的反射情况，可以由等效的二端口Z参数得出，表达式如下：

该电路板包含一些非关键电路，如运算放大器、连接器、电阻电容等。根据其电路特性，将非关键电路等效为干扰电流源和干扰电压源，并根据电路功率将负载等效为相应的 RC 电路。图5 为运算放大器电路的等效干扰源和等效负载，其输出电流为 5mA，等效电阻为 1kΩ，等效电容为 0.2μF。

通过电路仿真软件对上述系统进行仿真，其电路原理图如图6 所示。当干扰电路工作时，由于寄生参数的影响会使其在电源相应位置上感应出噪声电压，并通过电源模块和电路板线路叠加到电源接口端。此外，电源模块自身的谐波也会通过电路板线路叠加到电源接口端端。

仿真结果如图7所示，包括电源各点的噪声电压波形和噪声电压频谱。其中， Un1 为 PWM 电路电源处的噪声电压；Un2 为通信电路电源处的噪声电压；Un3 为电源端口的噪声电压。

Claims

1.一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统，其特征在于：包括干扰芯片有源和无源参数提取单元（1）、干扰源模型参数提取单元（2）、复杂传输线网络参数提取单元（3）、矩阵式负载参数提取单元（4）、系统级模型仿真单元（5）和传导骚扰量化分析单元（6）；

干扰芯片有源和无源参数提取单元（1）用于将印制电路板上的电源模块、关键干扰芯片、有源器件、无源器件分别等效为谐波噪声模型、干扰源模型、有源电路模型和无源电路模型；

干扰源模型参数提取单元（2）用于提取所述谐波噪声模型和干扰源模型参数，根据谐波噪声模型和干扰源模型的实际特性，构建为等效噪声源模型；

复杂传输线网络参数提取单元（3）通过计算和测试提取印制电路板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建多端口模型，得到传输线网络多端口阻抗矩阵；

矩阵式负载参数提取单元（4）用于将电路板上非关键干扰电路等效为多节点矩阵式负载模型，并进行模块化封装；

系统级模型仿真单元（5）用于将有源电路模型、无源电路模型、噪声源模型、传输线网络多端口阻抗矩阵和多节点矩阵式负载模型通过电路原理组合起来，构建电路仿真模型，从而得到线路上各节点处的噪声电压波形；

传导骚扰量化分析单元（6）用于将系统级模型仿真单元（5）中得到的噪声电压波形转换为噪声电压频谱Vn = f1(frq)，并与实际采用的电磁兼容标准线Vref = f2(frq)比较，从而获得实际电路板传导电磁干扰超标频率段和各频率点的噪声电压幅值超标量dV ，dV=Vn – Vref；其中，Vn为各频率点的噪声电压幅值，frq 为频率，Vref 为各频率点的噪声电压标准限值。

2.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于：所述干扰芯片有源和无源参数提取单元（1）将电源模块等效为谐波噪声模型，该模型与电源模块的开关频率相关；将关键干扰芯片等效为干扰源模型；将有源器件等效为包含有源器件内部逻辑电路的 SPICE 模型和包含有源器件引脚封装寄生参数的 IBIS 模型，所述SPICE 模型通过芯片手册构建，所述IBIS 模型包含了关键干扰芯片的各引脚的寄生电阻R、电感L、电容C、电导G参数；将无源器件等效为包含寄生参数的无源电路模型。

3.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于：根据器件实际特性，等效噪声源模型包括：恒功率电压源、变功率电压源 U = f(P)、压控电流源 I = f(U)、周期性脉冲源、伪随机码脉冲源。

4.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于：所述传输线网络多端口阻抗矩阵为，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的互阻抗；Z_1n 表示第一端口与第n端口的互阻抗；Z₂₁ 表示第二端口与第一端口的互阻抗；Z₂₂ 表示第二端口的自阻抗；Z_2n 表示第二端口与第n端口的互阻抗；Z_n1 表示第n端口与第一端口的互阻抗；Z_n2 表示第n端口与第二端口的互阻抗；Z_nn 表示第n端口的自阻抗。

5.根据权利要求3所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于：所述传输线网络多端口阻抗Z矩阵转换为多端口散射参数S矩阵后，S矩阵中的插入损耗和回波损耗可以直接反映输入信号在传输线网络上的反射情况。

6.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于：所述矩阵式负载参数提取单元（4）根据各非关键干扰电路的功率、电压、电流和寄生参数，分别等效为 RLC 电路，并构建多端口负载网络。

7.根据上述系统实现的方法，其特征在于：采用电路模型提取和模块化建模的方法，对某控制电路板的电源线端口处的传导干扰进行量化分析；通过对电路板上各段线路、主要干扰芯片和电源模块等分别进行计算和等效，获取各器件的干扰噪声源、等效电阻R、电感L、电容C、电导G参数和内部逻辑电路，并分别进行模块化封装，从而构建整个电源系统的等效电路模型；通过电路仿真即可获得电源线上各点的传导干扰波形和量化频谱。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于具体实施步骤如下：

步骤3：构建有源器件的等效有源电路模型，由基于芯片内部逻辑电路的 SPICE 模型和基于芯片引脚封装参数的 IBIS 模型组成；所述SPICE模型包括与/或/非门、三极管、上拉/下拉电阻、电流源和三态门，通过有源器件的用户手册构建；所述IBIS 模型包括电源引脚、地引脚、输入引脚和输出引脚，包含了有源器件各引脚的寄生电阻R、电感L、电容C、电导G参数；

步骤5：构建等效噪声源模型；将电源模块的等效谐波噪声模型和关键干扰芯片的等效干扰源模型等效为不同的噪声源模型，噪声源模型包括恒功率电压源、变功率电压源 U = f(P)、压控电流源 I = f(U)、周期性脉冲源、伪随机码脉冲源模型；

步骤6：构建传输线网络多端口阻抗矩阵；将电路板每段线路等效为各无源二端口网络模型，包括输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，并按照电路串并联逻辑组成多端口阻抗矩阵；所述各无源二端口网络模型内部为电阻R、电感L、电容C、电导G参数，所述电阻R、电感L、电容C、电导G参数通过分析线路的材料、结构和尺寸并计算获得；

步骤7：构建非关键干扰电路的多节点矩阵式负载模型；通过对非关键干扰电路的电源和负载特性进行分析，将电路等效为包含等效串联负载的电压源和包含等效并联负载的电流源，并封装为多节点矩阵式负载模型；

步骤8：构建系统级仿真模型；将上述有源电路模型、无源电路模型、噪声源模型、传输线网络多端口阻抗矩阵和多节点矩阵式负载模型根据电路逻辑组合起来，构建电路仿真模型，从而得到线路上各节点处的噪声电压波形；