CST EMC STUDIO - oprogramowanie do symulacji elektromagnetycznych 3D

U dany projekt musi godzić ze sobą wymagania EMC konkurujące z wymaganiami na ograniczone wymiary, na koszt wykonania i na określone parametry eksploatacyjne. Ich pogodzenie ze sobą może stanowić poważne wyzwanie dla projektanta. Im wcześniej identyfikowany jest potencjalny problem EMC tym mniejsze są koszty jego eliminacji. Stosując projektowanie zgodne z EMC na wczesnym etapie rozwoju produktu można uniknąć dodatkowych kosztownych cykli iteracyjnych na etapie końcowym.

Symulacja przy użyciu oprogramowania CST EMC STUDIO (wchodzącego w skład pakietu) pozwala identyfikować i rozwiązywać problemy EMC na samym początku procesu projektowania, na długo przed wykonaniem pierwszego prototypu. Oprogramowanie zawiera szereg solverów obliczeniowych począwszy od algorytmu sprawdzającego, czy spełnione są reguły projektowania PCB przez pełnofalowe solvery elektromagnetyczne 3D aż po specjalistyczne solvery do symulacji kabli i płytek drukowanych. Można je łączyć ze sobą w symulacjach hybrydowych realizowanych metodą SAM (System Assembly and Modeling).

Zaburzenia emitowane

Rys. 1. PCB z układem sterowania silnikiem - rozkład pól i prądów

Ponieważ zaburzenia emitowane stanowią zagrożenie dla innych urządzeń, przepisy EMC nakładają ścisłe limity na poziomy emisji promieniowanych i przewodzonych dla urządzeń dopuszczanych do produkcji i sprzedaży.

Ścieżki obwodów drukowanych, elementy wyposażone w radiatory, przewody łączące płytki PCB, fragmenty obudowy i inne elementy metalowe mogą zachowywać się jak anteny powodując emisję. Z kolei przewody łączące płytki, kable łączące bloki i kable zasilające mogą przenosić zakłócenia przewodzone z jednej części urządzenia do drugiej, pomiędzy urządzeniami lub pomiędzy urządzeniem i siecią zasilającą. CST EMC STUDIO jest uniwersalnym narzędziem symulacyjnym, które umożliwia skuteczną analizę i przewidywanie zakłóceń emitowanych zarówno promieniowanych jak i przewodzonych.

Podstawowym środkiem walki z zakłóceniami promieniowanymi jest dokładne ekranowanie urządzenia. Niestety zwiększa ono koszt wykonania produktu i jego ciężar oraz często wpływa na jego wygląd. Oprogramowanie pozwala wyznaczać i porównywać skuteczność ekranowania różnych rozwiązań bez potrzeby ich fizycznej realizacji. Można np. badać skuteczność ekranowania obudowy w funkcji takich parametrów, jak wielkość otworów wentylacyjnych, rodzaj połączeń na krawędziach obudowy, wielkość szczelin wokół pokryw lub drzwi w obudowie, itp.

Znaczne oszczędności można osiągnąć zapobiegając emisji zakłóceń w miejscu ich powstawania. Bardzo często źródłem zakłóceń promieniowanych są źle zaprojektowane płytki PCB zawierające szybkie układy cyfrowe. Występujące w tych układach przebiegi o wysokich częstotliwościach zegara i impulsy o stromych zboczach generują wysokoczęstotliwościowe harmoniczne, które mogą być promieniowane w postaci fali elektromagnetycznej generowanej przez źle zaprojektowany druk płytki PCB.

Odporność

Rys. 2. Przekrój kabla analizowanego solverem CBL

Odporność urządzenia jest miarą tego, jak urządzenie jest podatne na zaburzenia zewnętrzne. Urządzenia elektroniczne muszą pracować bezpiecznie w swoim środowisku elektromagnetycznym, muszą być więc odporne na wpływy zewnętrzne, takie jak promieniowanie elektromagnetyczne i zaburzenia przewodzone. Mogą one wpływać na działanie urządzenia pogarszając jego parametry lub nawet spowodować jego awarię. Podobnie jak dla limitów emisji, ustanowiono również przepisy EMC określające wymaganą odporność urządzeń elektronicznych na zaburzenia zewnętrzne.

Pomiary odporności prowadzone w komorach i laboratoriach EMC dają odpowiedź na pytanie, jaki poziom zaburzeń powoduje nieprawidłową pracę lub uszkodzenie badanego urządzenia DUT (Device Under Test), nie mówią jednak nic o mechanizmie działania zaburzeń wewnątrz DUT. Symulacja z użyciem CST EMC Studio pozwala na wizualizację i określenie wartości pól, napięć i prądów występujących w każdym miejscu wewnątrz urządzenia.

Nie mając do dyspozycji fizycznie zrealizowanego prototypu można już na etapie projektu powiedzieć jak zachowa się on w badaniach odporności na ESD (Electrostatic Discharge) i BCI (Bulk Current Injection). Identyfikacja obszarów krytycznych i dróg rozchodzenia się zaburzenia wewnątrz DUT bardzo również pomaga projektantowi w wyborze odpowiednich środków zaradczych.

Kable

Rys. 3. Model PCB zaimportowany do CST STUDIO

Podłączone do urządzenia kable zasilające i kable sygnałowe tworzą naturalne drogi rozchodzenia się zaburzeń elektromagnetycznych. Kabel jest wspólną drogą zarówno dla zaburzeń wnikających do urządzenia jak i z niego wychodzących. Złącza kablowe to często słabe punkty w obudowach pozornie dobrze ekranowanych urządzeń, które pogarszają ich parametry EMC.

Środki zaradcze EMC w zakresie konstrukcji kabli to stosowanie przewodów typu skrętka, stosowanie ekranów w postaci oplotów lub owijek, czy wreszcie nakładek ferrytowych w formie tulejek lub toroidów. Stosowanie tych środków daje w wyniku skomplikowaną strukturę kabla w jego przekroju co utrudnia jego modelowanie i symulację klasycznymi solverami 3D.

Takie złożone przewody i kable mogą natomiast być łatwo analizowane przy użyciu specjalizowanego solvera CBL wchodzącego w skład oprogramowania. Wykorzystuje on zaawansowane dwukierunkowe sprzężenie hybrydowe z innymi elektromagnetycznymi solverami 3D co sprawia, że modelowanie złożonych kabli w środowisku 3D jest prostsze i bardziej intuicyjne a obliczenia są szybsze i dokładniejsze.

CST EMC Studio zawiera również bibliotekę standardowych kabli, która uwalnia użytkownika od modelowania w przypadku kabli typu USB, LAN, HDMI, itp. Symulacja kabla z poprawnie zamodelowaną strukturą wewnętrzną daje wiarygodną informację o jego istotnych własnościach elektromagnetycznych takich, jak impedancja, przesłuchy między żyłami, skuteczności ekranowania, itp.

Analiza druków PCB

Rys. 4. PCB z układem sterowania silnikiem - symulacja hybrydowa schemat z blokiem 3D-EM

Parametry EMC płytek drukowanych zależą głównie od prawidłowego rozmieszczenia elementów i ścieżek. Ręczne sprawdzanie wszystkich warstw współczesnych płytek PCB zawierających szybkie układy cyfrowe jest zbyt czasochłonne i podatne na błąd człowieka. CST BOARDCHECK eliminuje błędy ludzkie automatycznie sprawdzając czy spełnione są tzw. reguły projektowania (design rules).

Program poddaje rygorystycznej analizie kompletną płytkę PCB na zgodność z listą wybranych zasad projektowania, które odnoszą się do EMC, SI (Signal Integrity) i PI (Power Integrity). Reguły projektowania są wybierane zależnie od właściwości sygnału obecnego na płytce. CST BoardCheck zawiera bibliotekę ze specyfikacjami sygnałów i automatycznie dobiera reguły projektowania odpowiednio do rodzaju sygnału bazując na doświadczeniu ekspertów EMC, którzy brali udział w tworzeniu programu.

Po zakończeniu procesu sprawdzania na obrazie płytki PCB zaznaczane są wszystkie lokalizacje, w których nie są dotrzymane reguły projektowania, i które w związku z tym mogą być źródłem problemów EMC. Gdy potencjalne zagrożenia zostaną już zidentyfikowane, projekt może być dalej symulowany przy użyciu pełnofalowych solverów 3D pakietu CST EMC Studio w celu przeprowadzenia bardziej szczegółowej analizy.

Źródłem zaburzeń promieniowanych i przewodzonych na niższych częstotliwościach mogą być PCB zawierające obwody wykonawcze układów sterowania silników elektrycznych, przetwornice napięcia AC/DC i konwertery DC/DC oraz układy z regulacją mocy metodą modulacji szerokości impulsu PWM. W analizie niskoczęstotliwościowych problemów EMC występujących w energoelektronice wykorzystuje się symulator obwodowy, który jest integralną częścią CST EMC Studio.

Model urządzenia składa się wówczas z części obwodowej i części strukturalnej 3D. Część obwodowa przedstawiona jest jako schemat zawierający źródła, idealne elementy bierne RLC, nieliniowe (diody) i aktywne (tranzystory), natomiast część strukturalna zawiera model 3D tej części układu, która jest istotna z punku widzenia zjawisk elektromagnetycznych.

Część obwodowa modelu może zawierać np. układ sterowania, w którym płyną małe prądy niegroźne z punku widzenia EMC a część strukturalna będzie zawierać model 3D płytki PCB ze ścieżkami wysokoprądowymi i elementami indukcyjnymi o większych wymiarach, które mogą być źródłem promieniowania EM.

Połączenie obu części modelu realizowane jest przez wirtualne porty zdefiniowane w strukturze 3D. Solver obwodowy liczy prądy i napięcia wytwarzane przez obwód opisany schematem, a pełnofalowy solver elektromagnetyczny liczy pole generowane przez część układu opisaną strukturą 3D.

Symulacje kompletnych urządzeń

Rys. 5. Wizualizacja pola generowanego przez kabel łączący dwa moduły

Symulacje elektromagnetyczne kompletnych urządzeń są bardzo atrakcyjne z uwagi na możliwość oszacowania końcowych parametrów EMC urządzenia na etapie projektu. Nie jest to zadanie łatwe z uwagi na duże rozmiary elektryczne obiektu liczone w długościach fali λ. Podczas, gdy rozmiary PCB to najwyżej kilka λ, to maksymalny wymiar kompletnego urządzenia wraz z obudową może sięgać kilkuset λ.

Skutkuje to bardzo dużą liczbą elementarnych komórek przestrzennych siatki opisującej strukturę 3D, a co za tym idzie znacznym wymaganym nakładem mocy obliczeniowej. Symulacja elektromagnetyczna całego urządzenia wymaga więc odpowiednio wydajnej platformy sprzętowej. Rozwiązaniem optymalnym jest klaster złożony z kilku serwerów połączonych np. siecią InfiniBand, a rozwiązaniem oszczędnym jest mocny pojedynczy komputer z kilkoma kartami graficznymi przejmującymi na siebie większość obciążenia obliczeniowego.

Oprócz rozwiązań sprzętowych stosowane są też różne metody software'owe. Skutecznym sposobem przyspieszenia obliczeń jest wykorzystanie różnych solverów, optymalnych do analizy różnych części symulowanego urządzenia. Tak uzyskane bloki łączy się następnie metodą SAM (System Assembly and Modelling) w celu wyznaczenia własności kompletnego urządzenia.

Inna metoda to stosowanie źródeł zastępczych pola bliskiego. Małą i skomplikowaną część większej struktury analizuje się solverem odpowiednim do małych detali i zastępuje prostopadłościanem o zdefiniowanym wektorowo rozkładzie pola na wszystkich ściankach. Tak uzyskane źródło zastępcze pola "montuje się" na większym fragmencie struktury 3D i analizuje łącznie innym solverem odpowiednim do obiektów o dużych rozmiarach.

Kolejna metoda to wspomniana już wcześniej symulacja hybrydowa, w której analizowane urządzenie dzieli się na część obwodową i część elektromagnetyczną 3D. Oprogramowanie łączy wówczas symulację obwodową i symulację elektromagnetycznej 3D w jedną polowo-obwodową symulację w dziedzinie czasu (true transient EM/circuit co-simulation). Taki typ symulacji pozwala uwzględniać w modelu 3D również elementy nieliniowe jako bloki IBIS, SPICE lub pliki w formacie Touchstone.

Podsumowanie

Rys. 6. Wyciek pola wokół wtyczki kabla Ethernet

W artykule zaprezentowano narzędzie symulacyjne CST EMC STUDIO będącego częścią pakietu CST STUDIO Suite do symulacji elektromagnetycznych 3D. Oprogramowanie udostępnia takie funkcje jak np.:

• narzędzia do importu struktur 3D z innych środowisk w formatach CAD i EDA,
• aplikacja do sprawdzania druków PCB pod kątem reguł projektowania (design rules) z biblioteką zawierającą specyfikacje różnych sygnałów,
• pełnofalowe solvery 3D (algorytmy rozwiązujące komplet równań Maxwella) liczące w dziedzinach czasu i częstotliwości,
• specjalizowany moduł do symulacji kabli wspierający kable o dowolnej złożoności,
• symulacje hybrydowe (łączące symulację elektromagnetyczną z symulacją obwodową) w dziedzinach czasu i częstotliwości,
• możliwość korzystania z elementów i bloków opisanych w formatach IBIS, SPICE i Touchstone,
• wizualizacja pola w strefie bliskiej i dalekiej, skan cylindryczny,
• wyznaczanie parametrów S/Z/Y, ekstrakcja wartości R/L/C, wyznaczanie prądów i napięć w dziedzinie czasu i częstotliwości,
• różne możliwości przyspieszania obliczeń - GPU acceleration, MPI cluster computing, cloud computing.

Opisane cechy funkcjonalne symulatora CST EMC STUDIO pozwalają zakwalifikować go jako narzędzie pozwalające przeprowadzić wirtualne badanie kompatybilności elektromagnetycznej EMC nieistniejącego jeszcze fizycznie urządzenia znajdującego się na etapie końcowego projektu. Możliwość oceny parametrów EMC wirtualnych urządzeń chroni przed wysokimi kosztami produkcji nietrafionych realnych prototypów.

Zastosowanie symulatora EM 3D skraca również czas opracowania finalnego produktu. Coraz większa ilość producentów zaawansowanych urządzeń elektronicznych stawia wirtualne badania EMC z wykorzystaniem symulatorów 3D-EM na równi z badaniami fizycznie zrealizowanego prototypu przy użyciu przyrządów pomiarowych typu "precompliance EMC".

Jarosław Kwiatkowski
CST AG
www.cst.com