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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 09-27
5G仿真解决方案 | EMC仿真的艺术性与工程性
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原创: 张伟  ANSYS bSfQH4F  
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5G时代背景下,各行各业都面临创新升级,无疑需要借助5G高速航道弯道超车,实现产业的巨大成功。智慧系列场景,物联网,AI、自动驾驶、大数据运算等新兴技术的蓬勃发展,使得电子设备的形式多样,数量众多,全频带覆盖,电磁环境急剧恶化,随之带来的挑战就是要在如此复杂而恶劣的电磁环境之下,设计出依然满足电磁兼容性EMC认证要求的高性能产品。因此,EMC设计是当今复杂电子产品设计中极其重要的一环。 bSfQH4F  
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什么是EMC? bSfQH4F  
EMC 是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力,也就是我们常说的电磁兼容;该定义包含两层含义,即该设备应具备一定的电磁抗扰能力(EMS),并且自身产生的电磁骚扰不能对其他电子产品产生过大的影响,即电磁骚扰能力( EMI)。这种能力,是整个电子系统的内部及外部表现,可以称得上既要能做到安内,也要能做到抵外。各行业有其对应的EMC认证标准,如何通过相关电磁兼容性认证几乎是所有带电产品需要面临的问题。 bSfQH4F  
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通常我们理解一个EMC问题是从其关键三要素出发:干扰源、传播路径、受扰体。 bSfQH4F  
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对于传统的测试来说,当在EMC实验室或者暗室测试发现产品不满足相应EMC认证要求时,或者发现电子系统中存在被干扰的受扰体时,想要解决这类问题,也是从这三要素去思考解决办法: 8W{R&Z7aL  
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降低干扰源强度:干扰的源头在哪里?一般电子设备干扰源是时钟芯片,开关器件,高速芯片,电源,汽车机电电力系统中还有火花塞、电机、电磁阀、继电器等。我们思考的问题是有没有办法去降低这些干扰源的干扰强度?如果有,通常是降低驱动能力,降低开关频率,降低功率等,以牺牲一定的电性能来提升EMC兼容性。 8W{R&Z7aL  
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优化传播路径:噪声的传播路径在哪里?当降低噪声源强度有难度或者不能很好地去满足EMC性能时,这时可以选择从传播路径上进行设计优化,分析噪声的传播路径在哪里?怎么去阻止噪声的传播,而通常传播路径主要分两种: 8W{R&Z7aL  
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传导路径:如电源导线、信号导线、接地系统、线缆、PCB走线、连接器等,这种途径通常采用的是电路的滤波处理,将谐波噪声滤除 8W{R&Z7aL  
辐射路径:主要是电路板的辐射、线缆的辐射、壳体缝隙的辐射、电磁场近场耦合等,通常采用屏蔽接地、贴吸波材料等 8W{R&Z7aL  
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保护受扰体:发现被干扰的对象之后,有时从电路层面上保护受扰对像,如滤波,钳位等,有时从空间电磁场层面保护受扰对象,如隔离、屏蔽接地等。 8W{R&Z7aL  
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EMC之于产品设计 8W{R&Z7aL  
传统的EMC设计通常是产品做出来之后测试,发现问题再去解决问题,分析思路虽然有了,但是,当我们面临一个庞大而复杂的电子系统时,要去找到干扰源或者阻止传播路径不是一件容易的事情,因为噪声源可能有几个甚至几十个,传播路径更是相当复杂,即有传导又有辐射,你会很难通过后期的调试去解决所有的问题。 8W{R&Z7aL  
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EMC设计直接关系到产品的稳定性、安全性、可靠性等,是产品设计过程中,必须迈过去的一道坎。有什么方式可以在前期设计阶段就解决这类EMC设计问题吗?答案就是借助先进的仿真技术。 xa8;"Y~"bg  
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利用计算机软件虚拟仿真技术完成对产品的研发及更新迭代,这已经是当今高科技企业普遍采取的技术手段。电磁兼容问题,也可以利用仿真技术完成虚拟分析和优化设计,在设计的前期、中期,以及到产品的调试阶段,都可以利用仿真技术,辅助我们完成复杂设备,复杂环境的多种多样的电磁兼容问题。 xa8;"Y~"bg  
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EMC仿真的艺术性与工程性 xa8;"Y~"bg  
EMC仿真分析,像是一个艺术创作的过程,因为不同的工程师,对产品系统的认知程度不同、对EMC仿真思路不同、对软件功能认识不同,建立的模型也会不同。因而仿真的结果也不一样,这是EMC仿真工作的艺术特性,有着仁者见仁智者见智的意思。 xa8;"Y~"bg  
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但它又不仅仅是一门艺术,因为即使不同的工程师建立不同的模型,仿真得出不同的结果,只要正确掌握了仿真技术以及EMC有关的理论和设计思路,依然能够仿真分析得出对产品的EMC性能提升非常有价值的优化指导,或者整改措施,从而体现EMC仿真的工程性。 xa8;"Y~"bg  
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此外,EMC仿真又跟天线、电机、高速信号完整性等领域的仿真技术有所不同。这些领域追求的是与测试结果的一致性,正确反映产品设计现状。而面对复杂系统的整机EMC仿真,例如产品包含机壳、各种数字处理板,射频电路,电源电路板,线缆线束以及各种连接器、结构件等,这时候EMC仿真的真正目的,并非是获得与EMC测试结果或者现象非常一致的仿真结果,而是应该以尽可能简单的模型反映产品关键设计因素,从而在最短的计算时间内获得对产品EMC性能有益的优化设计或整改措施。 xa8;"Y~"bg  
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EMC仿真没有想象那么难 xa8;"Y~"bg  
有时候我们并不一定能够获取系统当中的某些电子部件模型/数据用于建模仿真,甚至大多数都获取不到,但是,因为我们追求的目标并非是要与测试结果保持一致,而是解决/优化EMC问题,所以某些部件模型的准确数据并不会显得那么重要,可以利用替代模型甚至可以不用。 xa8;"Y~"bg  
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例如:一个电路板上电源芯片对模拟电路存在干扰,我们可能无法获得这些外购的DC/DC噪声器件模型及其输出噪声,但我们可以考虑从传播路径的角度来优化这些噪声器件对敏感电路的干扰问题,优化电路板设计,包含器件的布局与布线。用软件数值运算技术,帮我们定量计算复杂的PCB噪声耦合,从仿真结果中可以找到优化改善干扰问题的办法与措施。 xa8;"Y~"bg  
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又或者整机辐射发射超标问题,如果是外壳通风口电磁泄露导致的,无需建立内部各种噪声源模型,完全可以单独对机壳进行建模分析,优化通风孔设计策略,从而达到满足EMC性能指标的目的,当然你也可以对内部噪声源进行建模优化分析,同样可以起到提升整机EMC性能,这是EMC仿真的特殊性,也是它的艺术性。 xa8;"Y~"bg  
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面对一个复杂电子系统, EMC仿真究竟该如何去做?最好是能在产品研发前期,采用逐一攻破的策略进行建模仿真,将复杂系统问题简单化,主要可以分为以下几个主要部分: xa8;"Y~"bg  
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PCB的EMC分析 I<O$);DV'  
隔离度,电源滤波,辐射,传导、时钟干扰,ESD,接地、高速串扰等 I<O$);DV'  
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线缆的EMC分析 I<O$);DV'  
布局、辐射、捆扎耦合,接地等 I<O$);DV'  
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机壳的EMC分析 I<O$);DV'  
屏蔽效能、谐振分布、器件部件、电磁泄露等 I<O$);DV'  
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接地系统EMC分析 .KrLvic  
接地阻抗、共地阻抗、接地噪声等 .KrLvic  
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整机系统的EMC分析 .KrLvic  
辐射发射,辐射抗扰等 .KrLvic  
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环境级EMC分析 .KrLvic  
RFI, 天线共址,收发灵敏度等 .KrLvic  
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一般最后再考虑做整机系统的EMC仿真,这样拆分的好处是建模简单,问题好定位,优化措施有针对性,建模仿真效率高,从概念设计到后期产品调试都可以进行模型的建立与分析,最重要的还是在产品的EDA/CAD开发阶段,这时候可选的优化设计措施会更多,模型数据会更充分。 .KrLvic  
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通用的EMC仿真体系架构 '9QEG/v  
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如前所述,EMC仿真与一般的复现性仿真不同,因此,相对而言,EMC仿真涉及面更广,挑战也更大。好在现代仿真技术经过几十年突飞猛进的发展,已经到了比较成熟的阶段,可以解决大部分的问题。 '9QEG/v  
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下图是ANSYS基本的场路协同仿真配置框图,各个模块各司其职,相互配合,以场路协同的核心思路建立各种部件及系统的模型,包括电路、电磁场,从而获得相应的传导/辐射仿真结果。配合选项模块,如参数扫描、自动优化,高性能计算等功能,可以极大提升EMC仿真的计算效率,优化效率,从而提高工作效率,缩短研发周期。 '9QEG/v  
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ANSYS场路协同的仿真框架
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ANSYS的仿真体系架构提供了从芯片、封装、磁性器件、机电系统、PCB系统、整机/整车系统到环境级系统的建模能力,不同客户关注的不同EMC问题都能在这里找到对应的解决方案,同时具备电磁、流体、结构多物理场耦合仿真能力,是全面而强大的体系架构。 '9QEG/v  
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ANSYS完整的EMC建模能力一览
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常见EMC问题案例分析 jP/Vqe%%8  
EMC仿真的案例不胜枚举,以下是几个比较常见的EMC仿真应用示例。 jP/Vqe%%8  
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1)电路板的电磁辐射 jP/Vqe%%8  
电路板是电子系统的中枢神经,在产品EMC性能中有着举足轻重的地位,而且也是主要的噪声源之一,当电路板开关器件工作,高速信号传输,电源波动时就可能造成电路板的对外电磁辐射,这些辐射能量耦合到机壳缝隙、通风口、线缆线束上时就很可能造成整机辐射发射指标超标问题,首先想到的优化思路就是对PCB这个噪声源进行噪声抑制,影响PCB电路系统EMI性能的因素有很多,所以不同的工程师设计的电路板的EMC性能也表现不一,这里面包括: jP/Vqe%%8  
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关键芯片/器件的布局 jP/Vqe%%8  
叠层的设计 jP/Vqe%%8  
电容摆放策略/容值选择、 jP/Vqe%%8  
高速信号布线 jP/Vqe%%8  
电源/地的布线 jP/Vqe%%8  
电源地过孔的设计 jP/Vqe%%8  
材料及工艺选择 jP/Vqe%%8  
其他…… jP/Vqe%%8  
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完成一个良好的PCB必须要考虑到信号完整性、电源完整性以及电磁兼容性问题,通过SIwave可以快速建立整板PCB模型,进行各项有关于SI/PI/EMC性能的功能仿真分析,以及自动优化分析工具,可以方便定位PCB的噪声,抑制噪声强度、提升产品EMC性能。 5"3 `ss<m  
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PCB辐射优化前后对比-近场远场
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2)电路板的EMC规则检查 5"3 `ss<m  
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在进行PCB的EMC设计时,通常主要依靠工程师的工作经验,不同设计环节的工程师使用着不同的验证方法,或者根本无验证手段。一些不适当的布线方式很难发现,也不可能特意去花精力进行仿真。例如线宽间距,退耦过孔与焊盘的距离,IO电路与高速器件间距等,这些细微的设计因素在整个电路板EMC当中也不可以忽视。 5"3 `ss<m  
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当需要对PCB进行仿真时,一般只针对的是复杂的设计、关键电路或高速电路,某些EMC相关的细节仿真的时候有可能被忽略,如此就可能带来一些隐患,规则检查可以弥补这块的缺失,依据SIwave软件自带规则或者自定义的规则监视PCB的设计情况,实施EMI Scanner功能分析,可以帮助我们发现需要优化的地方。 5"3 `ss<m  
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EMI scanner规则检查
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3)开关电源传导干扰 5"3 `ss<m  
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开关电源式适配器以强劲的发展势头超越了工频变压器式适配器,但开关电源的电磁兼容性较差,随着开关电源工作频率不断提高,电磁干扰问题也变得日益严重,仿真势在必行。 5"3 `ss<m  
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在进行开关电源仿真时,主要思路是用Q3D抽取传播路径的参数模型,如PCB、线缆的RLC寄生参数,分析零部件的高频特性,如电阻、电容、电感、变压器等的高频特性,可以利用Maxwell/PExprt对电力电子部件进行建模仿真,然后在机电系统平台Simplorer当中,将这些电阻、电容、电感、变压器、MOSFET、二极管等部件的高频模型连接成完整的开关电源仿真电路,即可获得其对外传导干扰的差模与共模噪声频谱分布。对比相应CE标准可知其EMC性能状态,然后进行电路的优化改善分析。 3ox|Mz<aZX  
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传导干扰优化-共模差模噪声
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4)接地系统的设计优化 3ox|Mz<aZX  
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接地设计是电力电子设备的主要难点之一,劣质的接地设计将使得设备噪声强度增大,从而影响芯片电路器件的正常工作,甚至会烧毁关键器件,同时也会造成更大的辐射与干扰问题。 3ox|Mz<aZX  
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理论上,低频电路单点接地,高频电路多点接地,复杂电路系统采取混合接地,但具体接地方式带来的接地阻抗,共地阻抗的影响,理论分析很难获得量化的结果。 3ox|Mz<aZX  
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利用软件Q3D能够对系统接地通路设计进行虚拟建模,抽取接地阻抗,结合电路系统simpolrer/Circuit软件搭建电路系统分析,就能获得接地设计的缺陷,从而指导接地设计的优化,找到最佳接地方式。 3ox|Mz<aZX  
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接地噪声辐射-PCB联合机壳
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5)线缆的辐射发射分析 ~qb-uT\(99  
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线缆的布局与接地可以直接影响电子设备的EMC特性,在高频段,线缆类似于单极子天线,会将线缆当中的噪声通过空间辐射出去,形成对外干扰,同时也会耦合到来自其他高频噪声源的能量,如点火系统,天线、开关器件、高速电路板等,然后线缆将能量传导到电路内部,从而造成对敏感电路受干扰,也就会影响设备的整机EMC测试表现结果。而通常线缆的选型与布局必须进行仔细的虚拟分析,否则可能造成整机产品的EMC性能不满足指标要求。通过Q2D建立线缆截面模型,通过circuit指定各个线缆端子的噪声频谱和负载电路,然后在HFSS里面建模外壳模型以及其他结构件,指点线缆布线路径,即可与Q2D联合,实现3d cable modeling技术,快速完成线缆辐射发射仿真。 ~qb-uT\(99  
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汽车线缆的辐射-空间辐射场分布
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6)电磁敏感度分析-ESD抗扰 ~qb-uT\(99  
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电磁敏感度分析,即EMS性能要求,表明在受到电磁噪声“攻击”的情况下的EMC兼容能力,通常测试内容包括ESD\EFT\Surge\RS\CS\PMS等,而在利用仿真技术进行建模分析优化时,同样可以从电路、空间电磁场两个角度来进行建模分析,观测电路上的电压电流噪声以及空间上的电磁场干扰。根据不同的分析目标,采用适合的软件进行建模仿真,例如电路板的ESD抗扰仿真,基本思路是通过Q3D建立测试环境的三维模型,抽取测试桌面与地面的关键寄生参数, SIwave建立电路板模型,在观测点与ESD噪声注入点添加端口提取宽带S参数,然后在电路系统Circuit中集合ESD激励模型、器件模型(TVS\Commonchoke等)、提取的PCB参数模型建立完整的ESD分析电路,即可获得观测点的电压电流时域、频域结果,从而可以分析产品ESD抗扰能力,指导产品的抗扰设计优化。 c6f[^Q%#j  
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R19版Circuit集成了常用EMC工具
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PCB的ESD抗扰分析-探测点电压波形
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7)PCB的辐射敏感度优化 c6f[^Q%#j  
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受试设备暴露在外界电磁噪声辐射情况下,电路系统是否会出现异常。一般在EMC暗室/GTEM小室测试该项性能,很多弱电控制系统处在恶劣的电磁环境当中,容易受到来自外界的高频,高压电磁场的辐射影响,例如高频天线,大功率开关,汽车点火系统等,PCB上的关键敏感电路耦合到外界的电磁能量,转换成干扰电信号,从而影响芯片正常工作,出现控制系统异常或失效的现象,可能会造成非常严重的后果。 c6f[^Q%#j  
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在这方面,ANSYS的SIwave工具能够定义电磁辐射源的强度和方向,用于PCB的抗辐射特性仿真,获取各个敏感电路节点上的感应电压强度,从而指导电路板设计的抗辐射优化设计. c6f[^Q%#j  
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PCB抗辐射分析-各个探测点感应电压
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8)机壳屏蔽效能分析 PS=N]e7k'  
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当机壳有各种通风口、接口、缝隙时,内部噪声源通过空间辐射的路径,在这些结构特征上会形成电磁能量的辐射与泄露。对于整机EMI性能,从阻止传播路径的角度,可以单独对机壳进行建模,在HFSS软件当中可以支持各类电磁噪声的直接定义,例如电偶极子,磁偶极子,平面波,高斯波,柱面波等, 无需创建实体的噪声器件模型就可以对机壳进行电磁屏蔽性能分析。 PS=N]e7k'  
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当然,也可以引入其他仿真结果源数据,如SIwave仿真的电路板辐射。仿真完成后可查看空间电磁场强度分布,可以发现不同频点的电磁泄露情况、主要泄露的位置、以及屏蔽效能值。从而可以发现机壳的设计缺陷,找到整改措施。 PS=N]e7k'  
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机壳屏蔽性能-电磁泄露
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9)整机系统电磁辐射发射分析 }WV}in0  
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整机系统通常包含外壳,各类电路板,线缆,开关器件等,通常这类仿真建模涉及的电子部件会比较多,所以相对来说,仿真也就越趋复杂。 }WV}in0  
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ANSYS在这方面采用不同软件模型数据相互传递的思路实现整机系统的建模与仿真,所以建模难度不算复杂。主要是基于HFSS全波系统电磁场仿真软件,HFSS建立整机外壳结构件的模型及材料,将SIwave仿真获得的PCB辐射数据导入进来,然后Q2D建立的各类线缆的截面场和噪声端子频谱定义,在HFSS指定线缆路径即可引入三维空间线缆的辐射数据。另外,也可引入用Maxwell建立的低频器件电磁场数据,如火花塞,电感线圈等,将各个部件场数据映射在整机外壳内部空间的相应位置,即可完成宽频带的整机辐射发射分析。 }WV}in0  
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整机系统辐射发射-RE
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以上列举的是EMC仿真部分案例,类似案例还有很多,譬如机箱谐振分布,数模混合干扰,电机驱动系统传导干扰,线缆捆扎干扰,PCB关键芯片布局,EFT,BCI大电流注入,设备辐射受扰分析等,在这里就不一一列举。 }WV}in0  
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平台级一站式EMC解决方案 }WV}in0  
综上,EMC仿真已经是电子及电力电子行业高速发展趋势下的必要分析手段,是一门科技艺术,同时也是一门 .. p="0Y<2l  
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