介紹

在電力電子領域，電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMC） 問題可以決定設計的成敗。開關模式電源轉換器雖然高效且緊湊，但卻是電磁噪聲的常見來源，可能會對附近的組件和系統造成嚴重破壞。隨著設計變得越來越復雜，監管要求越來越嚴格，工程師需要強大的仿真工具，以便在物理原型設計之前預測和緩解這些問題。

Ansys HFSS 和 SIwave 是兩個行業領先的全波仿真平臺，為工程師提供了對其設計電磁行為的前所未有的洞察力。這些工具可以幫助識別潛在的 EMI 來源，了解耦合機制，并實施有效的緩解策略，所有這些都在一個節省時間和資源的虛擬環境中進行。

在本文中，我們將探討如何將這些強大的 EM 仿真工具與 Ansys Circuit 結合使用，以解決開關模式電源轉換器和類似電力電子設計中的 EMI/EMC 挑戰。無論您是處理復雜的多相轉換器還是電動汽車動力總成逆變器，正確的仿真方法都有助于確保您的產品符合監管標準并在預期環境中可靠運行。

Ansys SIwave

SIwave 是一種專門的混合求解器，用于 PCB 和封裝設計的高效信號完整性、電源完整性和 EMI/EMC 仿真。其強大的功能使工程師能夠執行全面的分析，包括從 PCB 布局中提取 S 參數、識別可能導致輻射發射的基于布局的諧振、評估 PCB 對入射源的敏感性以及模擬近場和遠場。SIwave 包括針對整個 PCB 布局的自動 SI/PI/EMI 設計規則檢查，這可以幫助工程師快速識別潛在問題區域并在設計周期的早期實施有效的解決方案。

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圖 1：Ansys SIwave 用于 PCB 的 SI/PI/EMI 仿真功能

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圖 2：SIwave 可以預測 PCB 布局和信號源的近場和遠場，以識別 EMI 問題并確認是否符合 EMC 標準。

Ansys HFSS技術

HFSS 是業界領先的 3D 電磁場求解器，具有全面的 EMI/EMC 仿真功能。它提供了一個專為 EMC 應用設計的 3D 組件和模板庫，包括天線、連接器、電流互感器、人體模型和屏蔽結構。工程師可以利用高效的混合求解器或網格融合來仿真 EMI/EMC 場景中典型的多尺度問題。

使用 HFSS，工程師可以創建一個復制標準 EMC 測試設置的虛擬測試臺環境，從而在進行物理測試之前根據 CISPR 22、FCC Part 15 和 IEC 61000 等通用標準評估設計。此功能與為 EMC 應用量身定制的特定培訓模塊相結合，使電磁仿真新手也能快速掌握專業知識并將最佳實踐應用于他們的設計。

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圖 3：HFSS 支持廣泛的 EMI/EMC 仿真，包括抗擾度、輻射和人身安全。

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圖 4：HFSS 模型和相應的電波暗室測量中距離被測設備 1 米處的輻射發射示例（由 GEMCO/UFSC 提供）。

Ansys 電路

Ansys Circuit 為頻域和時域電路仿真提供了功能齊全的功能。一個關鍵功能是與 Ansys EM 求解器無縫集成，從而在原理圖和現場解決方案之間實現動態鏈接。這種聯動為分析復雜電路和系統的電磁行為提供了強大的解決方案。使用 Push Excitations 功能，可以從電路仿真中傳輸所需的激勵信息，以便在 HFSS 和 SIwave 中實現有洞察力的場可視化，并自動設置源信號的頻率、幅度和相位。

Ansys Circuit 可與 EM 求解器的集成結果一起使用，以高效設計開關模式電源轉換器。瞬態電路求解器可以整合有源元件（如 MOSFET 和二極管）的 SPICE 模型，以及無源元件（如電感器和電容器）的模型，這些模型包含與頻率相關的效應，使其成為仿真開關電路動態行為的強大平臺。包含真實的電路元件模型對于準確捕獲高頻開關系統的行為尤為重要。

此外，Ansys Circuit還包括一個全面的組件庫，其中包括用于傳導發射分析的線路阻抗穩定網絡（LISN）等常見組件，使其成為EMI/EMC分析和一致性測試的多功能工具。工程師可以使用包含真實寄生效應的預先驗證的模型快速構建虛擬測試設置，以反映物理一致性測試環境。

圖 5 顯示了電動汽車動力總成系統中牽引逆變器的 EM/電路協同仿真模型示例。牽引逆變器將車輛電池的直流電壓轉換為電動機的交流電壓。該電路模型包括三個半橋 SiC 功率模塊的詳細 SPICE 模型。該電路還包括電池、LISN、逆變器控制器、電機負載電路以及與系統物理布局的 HFSS 模型的動態鏈接。結果包括傳送到電機的電流波形、LISN 輸出端口的傳導發射頻譜以及 20 kHz 開關頻率下車輛中的磁場。

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圖 5：具有動態聯動 HFSS 模型的電動汽車牽引逆變器系統的 Ansys 電路模型。

多相 Buck 轉換器的工作流程

模擬四相降壓轉換器的傳導和輻射發射的工作流程如圖 6 所示。該器件是一款 DC-DC 降壓轉換器，具有四個并聯交錯相位，為負載提供電流。每個相位都由自己的開關元件 （MOSFET）、電感和控制電路組成，并且相位與相移同步。與單相轉換器相比，多相降壓轉換器在效率、熱管理、紋波減少和瞬態響應方面具有顯著優勢，使其成為大電流應用的首選。本例將 12 V 輸入電壓轉換為低于 1 V，為消耗 10 安培的 SMT 元件供電。

工作流程首先將 PCB 布局導入 SIwave。SIwave 可以導入常見的 ECAD 格式，包括 ODB++、IPC-2581 和 EDB。將端口分配給信號網絡，并執行頻率掃描仿真以提取 PCB 布局的 S 參數。

然后將 SIwave 模型動態鏈接到電路原理圖中，并添加有源和無源元件以完成電路模型。該電路模型包括一個 CISPR16 LISN，用于獲取電源轉換器的傳導發射。執行時域 （瞬態） 仿真以獲得輸出電壓和電流。時域結果會自動轉換為頻域，以顯示傳導發射頻譜。可以將傳導發射與器件的允許限值進行比較，并且可以使用濾波器等緩解技術來實現合規性。

然后將電路結果鏈接回 SIwave，為 PCB 近場和輻射場仿真提供真實的激勵。這會自動為計算 PCB 發射的場級所需的復雜光譜數據創建源文件。近場可以繪制在 PCB 周圍的任何指定表面上，輻射發射可以在距離 PCB 1 米或 3 米等距離處繪制。

通常需要評估外殼或外殼對 PCB 輻射的影響。通過將 SIwave 的近場解連接到 HFSS 中，可以很容易地實現這一點。近場鏈接會自動為 HFSS 模型創建激勵、求解設置和頻率掃描。可以在 HFSS 中研究外殼對 EMI/EMC 性能的影響，并且可以在所需頻率下檢查 EM 場分布，以了解如何緩解任何問題。

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圖 6：模擬多相降壓轉換器的傳導和輻射發射的示例工作流程。

總結

Ansys 行業領先的電子仿真工具使設計工程師能夠應對 EMI/EMC 挑戰，并降低產品延遲和合規性失敗的風險。集成的電磁和電路工作流程可以預測電子系統（例如此處所示的開關模式電源轉換器）的傳導和輻射發射。求解器之間的耦合允許從電路和場的角度分析設計性能。

HFSS 和 SIwave 提供了對系統物理布局內的場和相互作用的詳細仿真。這使工程師能夠識別和緩解組件和電路板級別的潛在問題，例如串擾、輻射和耦合。與高級電路求解器的集成包括信息的雙向傳輸以及電路和電磁行為的協同仿真。通過利用這些一流的功能，工程師可以在設計過程的早期處理 EMI/EMC 問題，以降低昂貴的設計迭代風險，并確保成功開發可靠且合規的產品。

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