导电排放测试背景
所进行的发射(ce)测试包括测量电线上的电流或穿过线路阻抗稳定网络(lis)测量端口的电压。在汽车领域,测试装置由测试中的设备(uut)、电线、lis、emi(电磁干扰)接收机、can等通信设备、负载(必要时)和地面组成,后者代表汽车底盘并代表电压参考值。
图1描述了一个简单的测试设置:vat和gnd分别表示电源的正极性和负极性的电线。在我们的例子中,欧盟电信公司是一个简单的"印刷电路板",但它可以代表任何其他电气或电子系统。在ce测试期间的emc性能包括将测量的电压/电流与cispr25(这是汽车领域最常用的标准)所确定的限制进行比较。在我们的案例中,我们侧重于电压法，选择测量并不是一个限制,因为用电压法和电流法进行测试是等效的。
图1进行排放测试的电磁兼容性测试装置
说明
在本研究中,uut是一个简单的由多个地面层和一个信号激发的一个痕组成的电路板。我们用它来说明跟踪和地面平面之间的耦合,以及布局如何影响这种耦合。我们研究了三个案例:
· 案例1由两层多氯联苯构成。激发痕迹在底层.顶部层是多氯联苯地面参考(见图2)。
· 案例2由四层多氯联苯组成,其在两个固体多氯联苯基准层之间的激发痕迹用于传播信号(见图3)。
· 案例3与案例2相同,底部图层上的一个洞就在跟踪下(见图4)。
图2多氯联苯案例1的说明,多氯联苯底部视图
图3多氯联苯案例2的说明,多氯联苯底部视图
图4多氯联苯案例3的说明,多氯联苯底部视图
案例2和案例3简化为三层,而不是四层.事实上,l4被抑制是为了简化模型,使结果的解释更容易。这种简化不会影响最终结果,因为l3和l4之间没有噪音源,它们之间可能存在的电压是可以忽略的。地面层也可以是通过解耦电容器连接的电力层。在我们的案例中,电容器被认为是完美的,并使用多个通孔相互连接,以便在它们之间有一个最小的阻抗。因此,具有三层的多氯联苯模型是整个四层系统的代表。
多氯联苯的矩形形状和尺寸为21厘米乘10厘米,痕长等于21厘米,其宽度等于0.25毫米,如图5所示。
图5多氯联苯尺寸和痕量长度
导电排放测试装置
该设置由电路板和电路板参照通过20厘米长的电线连接到lis阻抗。通常情况下,电源用两个电线连接到电路板上:一个用于负极性,另一个用于正极性。在我们的研究中,我们把这些电源线替换为只有一个,即接地线。
本研究只考虑了耦合的共同模式,这是耦合的最主要的模式。实际上,正负导线之间的输入阻抗可以忽略不计。它们通常由电容器连接,在本研究中被认为是理想的。
测试设置的3d模型如图6所示。板是垂直方向,跟踪在底部层和接地线连接到顶部层。电路板与地面平面之间没有局部地面连接。
图6测试装置的3d模型
噪音源及终止
从缓冲器或微控制器发出信号,并通过固定阻抗终止跟踪。它用某种高频元件来模拟时钟或通信信号.在模拟中,励磁是从100千赫到300兆赫的频率范围内的宽带电压源。终止是一个50k的电阻。对于研究的频率范围,终止阻抗的精确值并不重要,但它足够高,使容性耦合更占主导地位。
模拟方法
在三维仿真中,采用了全波频域(fd)求解器。这是分析频率从100千赫兹到200兆赫的多氯联苯的最佳选择。首先,利用fd求解器建立了三维模型,并进行了网格化和求解。然后,我们使用了一个共同模拟与委工作室套件的示意图,以执行基于结果的3d模拟电路模拟。
该配置分别定义为阻抗和连接到我们要分析的每个端口的组件。这意味着,我们可以改变终止和驱动值,并获得lis电压,而不必每次解决3d模型。这大大缩短了模拟时间。同时,在共同模拟设计流程中,考虑到所有驱动电路和终止电路,我们可以利用"合并结果"特性来计算3d模型中的电流场和电磁场。这种可视化对调查很有用。它允许对每个模拟配置的耦合过程进行深入分析。研究的电路简单,如图7所示。
图7每个案例1"两层"和案例2"三层"的模拟电路
我们注意到,在模拟的情况下,gnd线是直接连接到印刷电路板,但它可以被断开或通过任何阻抗连接,如一个中央控制中心的"普通模式卡",因为它可能在许多设计中。
模拟结果
我们用交流分析法分析了当跟踪被1v宽带噪声源激发时lis上的电压。图8列出了所取得的结果。在情况1的"单层"中,耦合比为78分贝,这意味着在对跟踪的1v应用中,我们得到了20兆赫的42dbpav,这高于cisprr25的要求进行的第5类排放"窄波段噪声"。这个级别被减少到-58dbbvv在案例2"双层",这是一个非常低的水平。在例3"有孔的痕迹"中,耦合电平为25dbvov,比例2增加了83分贝。事实上,根据cispr25第5类,案例3是进行排放的高风险。整个结果表明,在跟踪上或跟踪下的地面层上的孔减少了3或4层的改进,减少了82分贝(从-58分贝到25分贝),如果不使用三维模拟,很难推导出改进。
图8：用lis阻抗计算的电压,用于情况1、情况2和情况3
分析耦合机理
在这一点上立即出现的第一个问题是:lin上怎么会有一个电流,知道即使多氯联苯和地面平面之间只有一个连接?为了回答这个问题,我们可以使用20兆赫的电子场监视器,参见图9。我们可以清楚地注意到,在电路板和地面之间有一个电场。如图10所示,该磁场的变化通过电路板和地面平面之间的杂散电容产生位移电流。这一位移电流会产生lis阻抗中的电压。
图9情况120兆赫的现场监测器
图10电路板与地面平面的电容耦合
当跟踪被埋在两个地面层之间时,如在案例2中,跟踪和地面平面之间的耦合大大减小。事实上,跟踪层和地面层之间的耦合显著增加,并改变了在内部层之间定位的电流分布。由于电场被限制在微量层和印刷电路板层之间,所以在印刷电路板层的外层没有电流,它们和地面之间也没有磁场。这降低了电路板和地面平面之间的耦合。
图11减少耦合的说明
当像"情况3"那样,多氯联苯层在跟踪上含有一个洞时,耦合级别就接近情况1的"单层"图12中的一个。差额只有33分贝。显然,这个值随着孔的位置和大小的变化而变化。
图12三种情况下20兆赫的电场
结论
我们利用三维模拟研究了在发射试验装置中电路板与地面平面的耦合。结果表明,高阻抗终止的轨迹会在其与地面之间产生电场,从而引起了lis阻抗上的位移电流和电压。当跟踪在两个内部层之间路由时,这种耦合就大大减小了。然而,由于在痕迹上方或下方的一层地面上存在一个洞,改进工作可能受到严重影响。这个结论是相当令人吃惊的:即使是在多氯联苯短段上方的一个小洞也会大大降低改进。利用拟议的模拟工作流,研究替代配置非常简单,例如通过改变驱动和终止阻抗或修改电路板的布局。
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