基于航电综合处理平台的整机级电磁兼容仿真_杨棋.pdf

2023.4电脑编程技巧与维护1概述随着航电系统的发展，航电系统下各种产品的集成度越来越高，模块设备的电路也越来越复杂。在这种背景下，要保证整机和模块及子卡都能够正常工作，在规定范围内不受周围其他设备的电磁信号干扰，同时在整机运行过程中，也不能对周围环境中的其他系统或平台内的整机级产品产生干扰。为了提高航电系统中整机产品的电磁兼容性，确保产品正常、可靠地运行和工作，在论证阶段和设计初期就应进行复杂度较高的整机级别电磁兼容仿真，以电磁兼容性设计作为理论支撑，成为了航电领域内一大重点和难点。在航电系统中，一方面要降低电磁兼容问题的难度并解决开发成本随开发阶段而飞速增加的问题；另一方面通常整机内各核心电路、子卡甚至模块都符合电磁兼容性指标，但考虑到整机级别时，由于各部件的相互影响，电磁兼容性效果不一定符合要求。因此，在设计和研发阶段应全面考虑整机级产品的电磁干扰情况，并进行针对性论证、仿真和改进。在这个过程中，通常要综合考虑以下方面：开关电源及其传导干扰、模块之间和整机的场级干扰及机箱的屏蔽效果等方面。进行基于以上几个方面的仿真，实现了整机级别的电磁兼容仿真，为整机级别的电磁兼容性设计及改进提供了支撑。2电磁兼容性与电磁干扰电磁兼容性是指一种器件、设备或系统的性能，可以使其在自身环境中，正常工作并且不会对此环境中的其他设备产生强烈的电磁干扰。对于无线收发设备来说，采用非连续频谱可部分实现电磁兼容性，但是现实生活中很多案例表明电磁兼容并非全部能够实现。所有电器和电子设备工作时都会有间歇或持续性电压、电流变化，有时变化速率相当快，这样会导致在不同频率内或一整个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中，对周围环境的其他设备产生电磁场信号的干扰，这种干扰被称为电磁干扰。由于电磁干扰现象是普遍存在的，因此，对电磁能量的屏蔽和对电磁干扰的抑制，对提高产品设备电磁兼容性来说是一项非常重要的性能。3电磁干扰的传播与抑制电磁干扰进入或离开一个电路主要有两种方式：辐射和传导。辐射即电磁信号通过外壳的缝隙、槽和开孔等缺口泄露出去；传导则是电磁信号通过耦合电源线等方式离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。对应这两种电磁干扰信号扩散方式，一方面可以通过设计外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式实现电磁干扰的抑制与屏蔽；另一方面通过分析开关电源及电源线干扰电磁信号的传导方式和特点，进行防护。电磁干扰的抑制性、隔离性和低敏感性是所有设计的基础和保障，这些性能应该在设计阶段的前期完成。验证设计人员在设计论证阶段对产品电磁兼容性的考虑和设计的合理性及有效性，一般是通过对产品进行电磁兼容性试验来检验。但是电磁兼容性的验证试验需要在产品研制生产完成后才能进行，因此在设计过程中应该对产品电磁兼容性设计进行仿真试验，并以此为基础和依据不断优化更新产品的电磁兼容设计。电磁兼容设计3要素分别为干扰的传播源、较为敏作者简介：杨棋（1996），男，硕士，研究方向为航空电子计算机系统硬件设计与调试。基于航电综合处理平台的整机级电磁兼容仿真杨棋，周广飞，贺沁涵（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安710119）摘要：电磁兼容性是航空电子系统（简称航电系统）计算机中一项重要特性。通常航空电子计算机是非常复杂且规模巨大的，涉及到多模块甚至多产品。在电磁兼容性的测试和验证过程中，即使各模块和子卡的电磁兼容性都满足相关标准的要求，也并不意味着将各部分集成到整机平台上时，电磁兼容性一定能符合要求。因此，整机级别电磁兼容性和抗电磁干扰能力的检验和仿真论证要贯穿整个产品的论证和研发阶段。但是要考虑航电综合处理平台整机，甚至整个航电系统的电磁兼容性，需要综合考虑多模块、多产品之间的干扰，仿真难度非常大。利用对开关电源、核心电路的场扩散强度和外壳屏蔽效能等方面进行着重建模，介绍并实现了基于航电综合处理平台的整机级别的电磁兼容仿真。关键词：航电综合处理平台；电磁兼容仿真；整机；电磁干扰19DOI:10.16184/prg.2023.04.0252023.4电脑编程技巧与维护感的接收方和耦合传播路径。例如，要提高某一产品或设备的电磁兼容性，需要对上述三要素采取针对性措施。对于电磁干扰的传播源，可以通过控制其在某一频段的电磁场输出强度即滤波来抑制电磁干扰；对于传播路径，通常采用各种各样的屏蔽方式切断电磁信号的传播路径；对于接收方，相对不容易采取电磁干扰防护措施，但是对于电磁设备来说，各元器件往往既是在工作中产生电磁场影响其他元器件等外部环境的传播源、干扰源，也有可能是受其他器件或外部环境影响的电磁干扰信号接收方。因此，在进行电磁兼容性相关设计及抑制电磁干扰的过程中，通过解决干扰源和耦合路径上的问题，既从源头上减少电磁干扰能量，又在传输路径上对电磁干扰进行阻断。4整机级别电磁兼容性仿真设计通常航电系统中涉及多个产品，每个产品由一个或多个模块组成。因此，要检验整个系统的电磁兼容性，就要在仿真阶段对整个系统的电磁干扰屏蔽情况进行仿真。在具体实施过程中，一方面要对重点电路、芯片或单模块进行电测兼容性仿真；另一方面要对各模块共同工作时的整机产品甚至系统进行仿真，评估各模块之间的电磁干扰及整机或系统对外扩散的电磁场强度。对于一个整机级别产品，在进行电磁兼容性仿真时，评估其指标需要进行3个方面的工作，具体如下：开关电源及传导干扰仿真、关键元器件及电路的电磁场仿真和整个产品的屏蔽措施效能仿真。4.1开关电源及其传导干扰仿真针对电源电路的电磁兼容性效果评估，一般是通过供电电缆对外部供电网络电磁干扰噪声的传导发射情况进行评估。该电磁干扰噪声主要来自模块内部的电源板开关电源的开关频率。一般从两个方面对其进行衰减和抑制，一方面可以通过在电源前端设计共模滤波器和差模滤波器、开关变压器缓冲回路的参数、用开关变压器屏蔽等设计方法，进行电源滤波器对供电电缆上的电磁干扰噪声的衰减和抑制；另一方面通过安装电源滤波器来降低电源线上的噪声电平，进而降低电源线上的辐射发射。对于信号线上的辐射发射，需要单独对所在线路采取滤波、屏蔽及改善走线不均等措施，衰减辐射发射强度。以28V直流电源为例的电源滤波器原理框图如图1所示。两路输出一路为28V直流正常供电；另一路为28V直流应急供电。滤波器实现电磁干扰的滤波功能，包括两路28V电源的电磁滤波。4.2屏蔽措施及效能对于机箱孔缝、模块盖板的辐射泄漏，可以通过屏蔽电磁兼容实现抑制。屏蔽效能是在某个特定的时间和空间点上，在有无屏蔽体时，电场强度或磁场强度的比值（SE=E0/E1或SE=H0/H1），采用这种方式计算屏蔽效能，辐射源在屏蔽体内部和外部无区别。在进行整机的屏蔽效能评估仿真前，需要预先建立对应的模型。在充分考虑仿真的关注重点和对于实际情况的影响后，在建立模型的过程中可以对被仿真产品进行一定的简化设计和替换。例如，花纹、弯角等无孔缝的结构可以被忽略；对屏蔽效果影响差别不大的零件也可以直接不予考虑。例如，螺丝的垫片、弹片、产品的标牌；在明确电磁干扰的核心关注点后，可以适当简化模型母板、连接器等处的电磁特征设计。但是在建立模型的过程中，有一些关键点是不能被忽略和简化的。仿真的模型和设计的实物模型外形应该保持一致，即使要变化、调整，也要进行等比例调整，并且保证内部接线、各零部件位置和彼此连接关系准确无误。在建立内部模型的过程中，严格按照实物装配情况进行复刻，保证无干涉现象。在对整机模型进行合理简化构建后，可以采用平面波辐射法在机箱内部建立检测点，计算机箱屏蔽效能仿真结果。根据计算结果采取相应的措施，提高屏蔽性。提高屏蔽性的方法主要有：用喷涂、真空沉积等技术在设备上包裹一层导电薄膜；增加缝隙深度，具有一定深度的缝隙可以对其内部传播的电磁波进行衰减，衰减效果随着缝隙深度的增加而增加；缩短螺钉间距，保证螺钉间距衰减不小于20dB。4.3模块及整机电磁场场级仿真场级仿真是通过建立模型，模拟不同区域的电场强度和磁场强度并进行分析。为了提高仿真计算的精度及真实情况的匹配度、降低仿真计算的复杂度、减少计算时间，根据整机机箱内部包含的各模块的实际情况，进行一系列处理和模型建立具体操作如下。对每个模块电路中，时钟信号及电源网络设置仿真端口进行无源仿真，提取模块的参数模型，为包含的元器件设置对应的图128V直流电源滤波器原理框图V1V228V正常输入电压1检测信号输出28VEMI滤波电路28V应急输入输出输入电压2检测信号输出28V28V202023.4电脑编程技巧与维护时钟频率和电源电压节点；针对通路设置的仿真端口添加对应的驱动模型，进行电路仿真；调用电路仿真结果，在印刷线路板（PCB）的空间区域进行场级仿真，得出各模块不同区域电场强度和磁场强度；进行整机场级电磁仿真，得出整机不同区域的电场强度和磁场强度的空间分布图。4.3.1电路仿真先将整机产品中各模块或各元器件，依据不同的工作频率、工作电源电压和信号频率，结合电路图，在核心元器件的各端口添加不同频率的驱动，与实际产品情况相对应的电阻、电容等元器件，对整机内部电路进行仿真。4.3.2 电源电压转换及信号仿真根据各元器件的额定电压值，添加驱动进行直流-直流（DC-DC）转换器的仿真，保证电路仿真过程中的电压转换关系与实际产品保持一致。同时根据内部差分时钟晶振产生的时钟信号，进行差分信号、单端信号的仿真，某综合处理机中100MHz差分信号仿真结果如图2所示，单端信号仿真结果如图3所示。最后将各核心元器件中的主要频率信号互联，实现对实际模块和整机工作情况的仿真。4.3.3 场级仿真通过完成对核心元器件工作的电源电压和频率信号的建模替代，调用整合该模型，在PCB的空间区域进行电场和磁场的场级仿真，计算出各模块不同位置的电场强度和磁场强度。某综合处理机的网络交换模块近场场强如图4所示，通常辐射风险点多为信号频率相同的点位和晶振所处的点位。整合各模块、子卡的仿真结果，得出整机的电磁兼容性结果，实现对整机级别产品的电磁兼容仿真。某综合处理机整机辐射频谱如图5所示。5结语针对整机级别的电磁兼容仿真和电磁干扰屏蔽，考虑了屏蔽措施、电源和结构等因素，进行基于电磁兼容仿真的整机级别建模。为进一步优化整机级别电磁兼容性设计提供了依据，同时也为系统级、平台级产品的电磁兼容性设计和电磁兼容仿真提供了参考。参考文献1马喜来,孙梨,马慧明,等.整车级电磁兼容仿真建模技术研究J.汽车与新动力,2022,5(2):55-58.2区健昌.电子设备的电磁兼容性设计M.北京:电子工业出版社,2003.图2某综合处理机中100MHz差分信号仿真结果图3某综合处理中单端信号仿真结果图4某综合处理机的网络交换模块近场场强图5某综合处理机整机辐射频谱Transient Plot 2200.00150.00100.0050.000.00-50.00-100.00-150.00-200.00V（net_82）-V（net_83）mV0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00TimensCircuit1ANSYSCurve lnfoV(net_82)-V(net_83)NexximTransientTransient Voltage Plot 73.503.002.502.001.501.000.500.00-0.50Y1V0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00TimensCircuit1ANSYSCurve lnfoV(net_49)NexximTransientImportedV(net_86)NexximTransientV(net_72)Sphere Plot1HFSSDesign1_ICPANSYSCurve lnfodB(Sphere1meter)+120extNearField1:Sweep-124.63-25.79-37.50dB(Sphere1meter)+120-50.00-62.50-75.00-87.50-100.00-112.50-124.63Freq GHz0.0070.01