一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電磁兼容領(lǐng)域，具體是指一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，采用電路模型提取和模塊化建模，對某控制電路板的電源線端口處的傳導(dǎo)干擾進(jìn)行量化分析；通過對電路板上各段線路、主要干擾芯片和電源模塊等分別進(jìn)行計(jì)算和等效，獲取各器件的干擾噪聲源、等效電阻R、電感L、電容C、電導(dǎo)G參數(shù)和內(nèi)部邏輯電路，分別進(jìn)行模塊化封裝，從而構(gòu)建整個(gè)電源系統(tǒng)的等效電路模型，并通過電路仿真即可獲得電源線上各點(diǎn)的傳導(dǎo)干擾波形和量化頻譜；本發(fā)明可以在設(shè)計(jì)前期對印制電路板上關(guān)鍵線路的傳導(dǎo)電磁干擾頻率和幅度進(jìn)行量化分析，找出電磁兼容性差的部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低整個(gè)電路板的電磁干擾程度，從而可以降低研發(fā)周期和成本。
【專利說明】一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁兼容領(lǐng)域，具體是指一種對印制電路板級電磁兼容中傳導(dǎo)電磁干擾的幅度和頻率進(jìn)行建模分析和量化預(yù)測的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365 電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)術(shù)語中的定義，電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)兩個(gè)方面。
[0003]電磁干擾(EMI)是電磁騷擾引起對設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾(EMI)包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩部分，其中傳導(dǎo)干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備通過空間耦合把干擾信號傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。
[0004]印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)是電力電子系統(tǒng)的基本組成部分,其板級電磁兼容性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性能。
[0005]隨著電力電子系統(tǒng)拓?fù)浜蛢?nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，其電磁兼容性問題也日益突出，其中印制電路板的傳導(dǎo)電磁干擾直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性能。目前在工程中，印制電路板的電磁兼容性設(shè)計(jì)一般采用工程經(jīng)驗(yàn)方法，其傳導(dǎo)干擾數(shù)據(jù)都是在制板完成調(diào)試結(jié)束后獲取的。一旦出現(xiàn)電磁兼容問題，一般需要重新設(shè)計(jì)和制板，影響了研發(fā)周期和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)難題，提供了一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，目的在于，在設(shè)計(jì)前期對印制電路板上關(guān)鍵線路的傳導(dǎo)電磁干擾頻率和幅度進(jìn)行量化分析，找出電磁兼容性差的部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低整個(gè)電路板的電磁干擾程度，從而可以降低研發(fā)周期和成本。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)，其特征在于:包括干擾芯片有源和無源參數(shù)提取單元、干擾源模型參數(shù)提取單元、復(fù)雜傳輸線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取單元、矩陣式負(fù)載參數(shù)提取單元、系統(tǒng)級模型仿真單元和傳導(dǎo)騷擾量化分析單元；
干擾芯片有源和無源參數(shù)提取單元用于將印制電路板上的電源模塊、關(guān)鍵干擾芯片、有源器件、無源器件分別等效為諧波噪聲模型、干擾源模型、有源電路模型和無源電路模型；
干擾源模型參數(shù)提取單元用于提取所述諧波噪聲模型和干擾源模型參數(shù)，根據(jù)諧波噪聲模型和干擾源模型的實(shí)際特性，構(gòu)建為等效噪聲源模型；
復(fù)雜傳輸線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取單元通過計(jì)算和測試提取印制電路板中的阻抗參數(shù)，并利用該阻抗參數(shù)構(gòu)建多端口模型，得到傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗矩陣；
【權(quán)利要求】
1.一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)，其特征在于:包括干擾芯片有源和無源參數(shù)提取單元(I)、干擾源模型參數(shù)提取單元(2)、復(fù)雜傳輸線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取單元(3)、矩陣式負(fù)載參數(shù)提取單元(4)、系統(tǒng)級模型仿真單元(5)和傳導(dǎo)騷擾量化分析單元(6)； 干擾芯片有源和無源參數(shù)提取單元(I)用于將印制電路板上的電源模塊、關(guān)鍵干擾芯片、有源器件、無源器件分別等效為諧波噪聲模型、干擾源模型、有源電路模型和無源電路模型； 干擾源模型參數(shù)提取單元(2)用于提取所述諧波噪聲模型和干擾源模型參數(shù)，根據(jù)諧波噪聲模型和干擾源模型的實(shí)際特性，構(gòu)建為等效噪聲源模型； 復(fù)雜傳輸線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取單元(3)通過計(jì)算和測試提取印制電路板中的阻抗參數(shù)，并利用該阻抗參數(shù)構(gòu)建多端口模型，得到傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗矩陣； 矩陣式負(fù)載參數(shù)提取單元(4)用于將電路板上非關(guān)鍵干擾電路等效為多節(jié)點(diǎn)矩陣式負(fù)載模型，并進(jìn)行模塊化封裝； 系統(tǒng)級模型仿真單元(5)用于將有源電路模型、無源電路模型、噪聲源模型、傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗矩陣和多節(jié)點(diǎn)矩陣式負(fù)載模型通過電路原理組合起來，構(gòu)建電路仿真模型，從而得到線路上各節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓波形； 傳導(dǎo)騷擾量化分析單元(6)用于將系統(tǒng)級模型仿真單元(5)中得到的噪聲電壓波形轉(zhuǎn)換為噪聲電壓頻譜Vn = f I (frq),并與實(shí)際采用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)線Vref = f2 (frq)比較，從而獲得實(shí)際電路板傳導(dǎo)電磁干擾超標(biāo)頻率段和各頻率點(diǎn)的噪聲電壓幅值超標(biāo)量dV，dV=Vn - Vref ;其中，Vn為各頻率點(diǎn)的噪聲電壓幅值，frq為頻率，Vref為各頻率點(diǎn)的噪聲電壓標(biāo)準(zhǔn)限值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，其特征在于:所述干擾芯片有源 和無源參數(shù)提取單元(I)將電源模塊等效為諧波噪聲模型，該模型與電源模塊的開關(guān)頻率相關(guān)；將關(guān)鍵干擾芯片等效為干擾源模型；將有源器件等效為包含有源器件內(nèi)部邏輯電路的SPICE模型和包含有源器件引腳封裝寄生參數(shù)的IBIS模型，所述SPICE模型通過芯片手冊構(gòu)建，所述IBIS模型包含了關(guān)鍵干擾芯片的各引腳的寄生電阻R、電感L、電容C、電導(dǎo)G參數(shù)；將無源器件等效為包含寄生參數(shù)的無源電路模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，其特征在于:根據(jù)器件實(shí)際特性，等效噪聲源模型包括:恒功率電壓源、變功率電壓源U = f(P)、壓控電流源I = f(U)、周期性脈沖源、偽隨機(jī)碼脈沖源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，其特征在于:所述傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗矩陣為，其中=Z11表不第一端口的自阻抗；Z12表不第一端口與第二端口的互阻抗；Zln表示第一端口與第η端口的互阻抗；Z21表示第二端口與第一端口的互阻抗；Z22表示第二端口的自阻抗；Z2n表示第二端口與第η端口的互阻抗；Znl表不第η端口與第一端口的互阻抗；Zn2表不第η端口與第二端口的互阻抗；Zm表不第η端口的自阻抗。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，其特征在于:所述傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗Z矩陣轉(zhuǎn)換為多端口散射參數(shù)S矩陣后，S矩陣中的插入損耗和回波損耗可以直接反映輸入信號在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上的反射情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種印制電路板級傳導(dǎo)電磁干擾建模的系統(tǒng)和方法，其特征在于:所述矩陣式負(fù)載參數(shù)提取單元(4)根據(jù)各非關(guān)鍵干擾電路的功率、電壓、電流和寄生參數(shù)，分別等效為RLC電路，并構(gòu)建多端口負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。
7.根據(jù)上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于:采用電路模型提取和模塊化建模的方法，對某控制電路板的電源線端口處的傳導(dǎo)干擾進(jìn)行量化分析；通過對電路板上各段線路、主要干擾芯片和電源模塊等分別進(jìn)行計(jì)算和等效，獲取各器件的干擾噪聲源、等效電阻R、電感L、電容C、電導(dǎo)G參數(shù)和內(nèi)部邏輯電路，并分別進(jìn)行模塊化封裝，從而構(gòu)建整個(gè)電源系統(tǒng)的等效電路模型；通過電路仿真即可獲得電源線上各點(diǎn)的傳導(dǎo)干擾波形和量化頻譜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于具體實(shí)施步驟如下: 步驟1:構(gòu)建電源模塊的等效諧波噪聲模型，該模型與電源模塊的開關(guān)頻率相關(guān)；分析電源模塊輸出電壓波形，得到開關(guān)頻率和整數(shù)倍開關(guān)頻率處的紋波電壓峰值，等效為諧波噪聲模型； 步驟2:構(gòu)建關(guān)鍵干擾芯片的等效干擾源模型，該模型與關(guān)鍵干擾芯片的工作狀態(tài)相關(guān)；分析關(guān)鍵干擾芯片的工作頻率、工作電壓和工作電流，將其等效為電壓干擾源模型和電流干擾源模型； 步驟3:構(gòu)建有源器件的等效有源電路模型，由基于芯片內(nèi)部邏輯電路的SPICE模型和基于芯片引腳封裝參數(shù)的IBIS模型組成；所述SPICE模型包括與/或/非門、三極管、上拉/下拉電阻、電流源和三態(tài)門，通過有源器件的用戶手冊構(gòu)建；所述IBIS模型包括電源引腳、地引腳、輸入引腳和輸出引腳，包含了有源器件各引腳的寄生電阻R、電感L、電容C、電導(dǎo)G參數(shù)； 步驟4:構(gòu)建無源器件的等效無源電路模型；各無源器件等效為包含器件主參數(shù)和寄生參數(shù)的R、L、C、G無源電路模型；` 步驟5:構(gòu)建等效噪聲源模型；將電源模塊的等效諧波噪聲模型和關(guān)鍵干擾芯片的等效干擾源模型等效為不同的噪聲源模型，噪聲源模型包括恒功率電壓源、變功率電壓源U =f(P)、壓控電流源I = f(U)、周期性脈沖源、偽隨機(jī)碼脈沖源模型； 步驟6:構(gòu)建傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗矩陣；將電路板每段線路等效為各無源二端口網(wǎng)絡(luò)模型，包括輸入端正極、輸入端負(fù)極、輸出端正極和輸出端負(fù)極，并按照電路串并聯(lián)邏輯組成多端口阻抗矩陣；所述各無源二端口網(wǎng)絡(luò)模型內(nèi)部為電阻R、電感L、電容C、電導(dǎo)G參數(shù)，所述電阻R、電感L、電容C、電導(dǎo)G參數(shù)通過分析線路的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸并計(jì)算獲得； 步驟7:構(gòu)建非關(guān)鍵干擾電路的多節(jié)點(diǎn)矩陣式負(fù)載模型；通過對非關(guān)鍵干擾電路的電源和負(fù)載特性進(jìn)行分析，將電路等效為包含等效串聯(lián)負(fù)載的電壓源和包含等效并聯(lián)負(fù)載的電流源，并封裝為多節(jié)點(diǎn)矩陣式負(fù)載模型； 步驟8:構(gòu)建系統(tǒng)級仿真模型；將上述有源電路模型、無源電路模型、噪聲源模型、傳輸線網(wǎng)絡(luò)多端口阻抗矩陣和多節(jié)點(diǎn)矩陣式負(fù)載模型根據(jù)電路邏輯組合起來，構(gòu)建電路仿真模型，從而得到線路上各節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓波形； 步驟9:傳導(dǎo)騷擾量化分析；將仿真得到的線路節(jié)點(diǎn)噪聲電壓波形進(jìn)行FFT分析，轉(zhuǎn)換為噪聲電壓頻譜Vn = f I (frq),并與實(shí)際采用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)線Vref = f2 (frq)比較,從而獲得實(shí)際電路板傳導(dǎo)電磁干擾超標(biāo)頻率段和各頻率點(diǎn)的噪聲電壓幅值超標(biāo)量dV，dV=Vn-Vref ;其中，Vn為各頻率點(diǎn)的噪聲電壓幅值，frq為頻率，Vref為各頻率點(diǎn)的噪聲電壓標(biāo)準(zhǔn)限值。
【文檔編號】G06F17/50GK103488840SQ201310449455
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】肖文靜, 唐健, 王多平, 邊曉光 申請人:中國東方電氣集團(tuán)有限公司