PCB電磁兼容仿真分析及預測

1、編號： 畢業(yè)設計(論文)說明書課 題：PCB電磁兼容仿真分析及預測 院 （系）： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師單位： 姓 名： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 ¨工程設計 þ工程技術研究 ¨軟件開發(fā) 摘 要隨著電子整機產品朝著集成化、小型化、輕型化的方向發(fā)展，PCB印制線的布線密度急劇增加；另外，電子信號的傳輸頻率越來越高，導致PCB線與線、層與層之間的電磁耦合作用大大增強，不合理的布局會造成各種電磁干擾加劇。因此如何對PCB進行合理布局，提高其電磁可靠性尤為重要。而解決PCB布線的EMC問題最有效的方法就是對其進行電磁

2、兼容預測，通過預測調整不合理的布局布線，把產品的電磁兼容問題解決在產品定型之前，可以節(jié)約大量的時間和金錢，也是加強電子整機可靠性，提高產品競爭力的必要環(huán)節(jié)。本文以通信整機某開關電源PCB作為研究對象，進行了PCB電磁場仿真分析及預測的研究，具體實現方法是采用多種商用軟件相結合進行分析。主要工作包括：首先分析了通信整機開關電源的電磁干擾特性，采用Protel DXP對該電路的印制電路板進行了布局布線，得到了該通信整機開關電源在多種布線布局下的物理模型。其次，針對以往PCB的電磁干擾分析大都是從路的方法來解決的，本文從場的角度，基于PCB板級電磁干擾機理，建立了PCB的電磁場分析模型，得到了PCB

3、的電磁場分布，可根據其結果對PCB上元件布局進行指導；還針對布局對PCB電磁干擾的影響，對不同元件布局下的電磁分布進行了分析。通過對通信整機某開關電源PCB電磁場的仿真，得到該PCB近場電磁場的分布情況,從而可有效對PCB上器件布局進行合理指導。同時，本文所采用的仿真方法對其他電子產品PCB的電磁兼容仿真分析具有一定的借鑒意義。關鍵詞：印制電路板；電磁兼容；仿真；分析AbstractAs the electronic equipment is developing to integration, miniaturization, Lightweight, the density of rout

4、ing in PCB wire have increased quickly. Moreover, as the frequency of circuits becomes higher and higher, the electromagnetic coupling between the lines and between the layers of PCB has been greatly enhanced, unreasonable layout will cause various electromagnetic interference intensified. So the ra

5、tional PCB layout to improve its reliability is particularly important. And the most effective solution of solving PCB EMC problem is making electromagnetic compatibility forecast, by the forecast，unreasonable layout of the wiring could be adjusted. The predicting of EMC may solve the EMC problem be

6、fore the products being made, it may save a mass of time and money, and it is an important way could be used to improve the reliability of electronic equipment and the ability of competition.This paper is take a communications unit switching power PCB as the study object, the PCB electromagnetic sim

7、ulation analysis and forecast are carried out. A variety of business integration software is used to achieve the analysis and forecast. The main works include: First, the character of electromagnetic compatibility of the circuit is analyzed. Protel DXP is used on the circuit printed circuit board la

8、yout and the wiring, and the circuit wiring layout in a variety of models were gotten.Secondly, as the past electromagnetic interfere analysis of PCB was carried out from circuit method finally; in this paper, based on the theory of electromagnetic interfere for the PCB, the electromagnetic analyzin

9、g model of the PCB was built. The electromagnetic distribution of the whole PCB was obtained, which has significance guidance to components layout on PCB. And the electromagnetic distribution under different layouts of component was also analyzed.By the simulation of the switching power PCB of the c

10、ommunications unit, the distribution of electromagnetic near-field were gotten，thus effectively reasonable guidance was given on the PCB layout. And, this paper used in the simulation of other electronic products PCB EMC simulation analysis with a reference.Key words：Printed Circuit Board; Electroma

11、gnetic compatibility; Simulation; Analysis 目 錄引言11 緒論11.1 課題背景及研究目的和意義11.2 國內外研究動態(tài)21.2.1國外研究動態(tài)21.2.2國內研究動態(tài)31.3 本論文的主要研究工作31.4 本論文的結構安排32 電磁兼容預測基本理論42.1 電磁干擾基本概念42.2 電磁兼容預測定義42.3 電磁兼容預測分類42.3.1傳導騷擾52.3.2輻射騷擾52.3.3感應騷擾52.4 電磁兼容預測內容52.5 電磁兼容預測的意義52.6 電磁干擾預測中的主要算法62.6.1場的方法62.6.2 路的方法92.6.3 場路結合102.7 本章

12、內容小結103 通信整機中某開關電源電磁干擾機理113.1 開關電源EMI及其特點113.1.1開關電源EMI介紹113.1.2開關電源EMI特點113.2 開關電源電磁干擾機理分析113.2.1電磁干擾的三要素113.2.2通信整機開關電源電磁干擾分析123.3 抑制PCB干擾主要技術133.4 本章內容小結134 基于Protel DXP的PCB物理模型建立144.1 設計軟件介紹144.2 PCB基本參數設計144.2.1疊層的設計154.2.2印制電路板的外形尺寸154.2.3印制電路板基板的選擇154.3 印制電路板設計164.3.1建模164.3.2布局174.3.3布線和規(guī)則檢查

13、174.3.4布線分析204.4 本章內容小節(jié)205 基于Ansoft Designer的PCB電磁場仿真分析215.1 有限元電磁場分析軟件Ansoft Designer簡介215.2 PCB電磁場仿真分析流程215.3 電源PCB電磁場仿真分析225.3.1前期準備225.3.2在Ansoft Designer中生成用于仿真的實體模型225.3.3設定解析條件255.3.4基板電磁場近場仿真結果255.3.5結果分析315.4 不同元件布局下的PCB電磁場仿真分析315.5 本章內容小結336 結論34謝辭35參考文獻3635 / 41文檔可自由編輯打印引言科技的發(fā)展使得各種行業(yè)都必須大量

14、采用電子或電氣設備，例如通信、電力輸配系統(tǒng)、自動化工程、計算機技術、醫(yī)療器材、測量儀器等。在這些設備中，往往需要在非常近的距離排列各種電路，從而導致電路間互相干擾。此外，集成電路和大規(guī)模的系統(tǒng)集成縮小了電子設備的體積，更多的電路擁塞于更小的空間內，這都增大了產生干擾的可能性，通信整機的電磁干擾問題不容忽視。電磁兼容（EMC: Electromagnetic Compatibility）正是為解決這類問題而迅速發(fā)展起來的一門新興學科，它主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。電磁兼容性是指電子設備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下,不因電磁干擾而降低性能指標,同時它們本身產生的電磁輻射不大于檢定的極限電平,不

15、影響其它設備或系統(tǒng)的正常運行,并達到設備與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。電子設備和系統(tǒng)的電磁兼容性指標已成為電子設備和系統(tǒng)設計、研制時的一個重要的技術要求?，F在已經有了抑制電子設備和系統(tǒng)的電磁干擾(EMI: Electromagnetic Interference)國際標準,統(tǒng)稱為電磁兼容標準,它們可以作為普通設計者布線和布局時抑制電磁輻射和干擾的準則,電磁兼容性已成為產品可靠性保證中的重要組成部分。1 緒論1.1 課題背景及研究目的和意義根據多年來電磁兼容技術與工業(yè)的發(fā)展，對于解決電磁兼容與產品的開發(fā)、生產過程之間的關系，在國際上得到了如圖1.1的示意圖。該圖橫軸為產品

16、生產過程的各個階段;縱軸為對該產品解決電磁兼容問題所需的費用，即所需的人力物力。103102101 安裝 生產 型號研制 開發(fā) 設備生產過程解決EMC的費用圖1.1 設備生產過程中不同階段EMC設計費用的變化該圖表明,在產品的研制生產過程中越早注意解決電磁兼容性,則越可以節(jié)約人力與物力，在產品開發(fā)和型號研制階段解決電磁兼容問題費用最低。目前電子器材用于各類電子設備和系統(tǒng)仍然以印制電路板為主要裝配方式。實踐證明,即使電路原理圖設計正確,印制電路板設計不當,也會對電子設備的可靠性產生不利影響。所以保證印制電路板的電磁兼容性是整個系統(tǒng)設計的關鍵。根據本課題的研究要求，本文開展了PCB電磁兼容仿真的研

17、究工作。目的是通過對某PCB電磁兼容仿真分析，建立PCB電磁仿真模型，進行電磁兼容仿真設計，并對結果進行分析，得出對PCB進行布局布線的指導性結論。本課題研究的意義在于，利用多種現有商用軟件相結合對PCB進行電磁兼容仿真分析，得出PCB的近場E場、H場及坡印廷矢量分布圖，對電路的合理布局設計進行指導。其應用意義在于可以把PCB引起的電磁問題處理在產品成型之前，從而降低生產成本，加快產品進入市場步伐，大大縮短產品從設計到最后成型進入市場的周期。1.2 國內外研究動態(tài)1.2.1 國外研究動態(tài)國外從70年代開始就進行了PCB電磁兼容理論的研究，Mark IMontrose在著作15和16中對PCB電

18、磁兼容的有關理論進行了系統(tǒng)的探討，并給出了許多有關PCB電磁兼容設計、調試、方面的實例；RLKhan在文獻17詳細闡述了運用有限元進行PCB的建模研究；在電路仿真方面，Carlsson J以及Ivan Maio等人對電路模型進行電磁兼容預測研究。通過軟件仿真來對電子產品的電磁兼容性進行分析,國外開展得比較早, 目前，國外作電磁兼容仿真分析軟件產品的公司中，公認效果比較好的公司有：l 美國的ANSOFT公司ANSOFT公司是全球最大的提供以電磁技術為核心的專業(yè)EDA廠商，成立于1984年，二十多年來，ANSOFT公司始終領導著世界計算電磁技術的發(fā)展方向，是全球最大的專業(yè)射頻/微波、信號完整性、電

19、磁兼容和電磁干擾、電磁場及機電元件和系統(tǒng)領域仿真軟件供應商。Ansoft產品被廣泛用于電子設備、集成電路、通訊、航空、航天、汽車、船舶及國防軍事部門。Ansoft 采用的是基于物理原型的 EDA 技術，為用戶提供的是一個完整的解決方案，而不是單個孤立的點的工具，Ansoft 的解決方案覆蓋了從系統(tǒng)、電路到部件級的設計及其協(xié)同仿真；它的三大產品線包括：高頻設計解決方案、信號完整性和電磁兼容/電磁干擾解決方案、機電系統(tǒng)解決方案；它的關鍵技術包括：自適應網格剖分技術、64 位求解技術、大矩陣快速壓縮算法技術、全波 Spice 技術、PEEC 技術及按需求解技術。Ansoft Designer 是第一

20、個將高頻電路系統(tǒng),版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環(huán)境的設計工具。l EMC TECHNOLOGY LTD公司它是一家專業(yè)從事電子產品的電磁兼容與可靠性分析、設計和測試的高新技術公司。公司產品以專業(yè)性強，實用性高為其顯著特點。從電子產品的理論設計，性能分析到產品的樣機調試，故障診斷以及最終產品的標準檢測等都提供相應的工具和手段。l 德國的 CST 公司(Computer Simulation Technology)它是一家集開發(fā)與銷售為一體的軟件公司，專業(yè)開發(fā)二維及三維電磁場仿真軟件，適用于靜電、靜磁、穩(wěn)恒電流、瞬態(tài)場、簡諧場、帶電粒子及熱動力場等的分析和綜合。1.2.2 國內研究動態(tài)國

21、內技術研究主要涉及PCB布線設計以及相應的電磁兼容研究方面，與PCB設計相比，PCB設計過程中的EMC分析和模擬仿真是一個薄弱環(huán)節(jié)。國內在此方面主要是一些布線經驗探討，涉及到PCB的EMC預測的不多。由于以場的方法進行電磁兼容仿真分析很復雜，編程計算量極大，對硬件設備要求很高，目前國內以場的方法進行電磁兼容仿真分析的報道極少。通過網絡查詢，在CNKI中國知網數據庫中進行檢索，中文檢索詞“PCB”、“電磁兼容”,檢索到相關文獻21篇。其中晨瑞在文獻7中從布局、布線、地線設計、器件處理和信號傳輸等方面詳細討論了印制電路板設計中抑制干擾及實現電磁兼容的方法。胡林平在文獻12中對PCB電磁場仿真有相關

22、介紹。1.3 本論文的主要研究工作本課題選取了通信整機某開關電源作為分析對象；對該開關電源的電磁干擾特性進行了分析；采用Protel DXP對該電路的印制電路板進行了布局布線，建立了PCB的物理模型；之后在有限元電磁場分析軟件Ansoft Designer中建立PCB電磁模型，進行電磁場仿真分析得出其近場E場、H場及坡印廷矢量分布圖分布，并根據所得的近場分布圖對該電路的合理布局設計進行指導。主要內容包括以下四部分：電磁兼容的基本理論。通信整機某開關電源電磁兼容理論分析。PCB的制版。PCB電磁兼容仿真分析預測。1.4 本論文的結構安排根據以上內容,本論文章節(jié)安排如下:第一章緒論。第二章電磁兼容

23、預測基本理論。介紹了電磁干擾的基本理論，電磁兼容預測的定義、意義；著重介紹了用于電磁兼容預測的基本方法：場的方法和路的方法。第三章通信整機中某開關電源電磁干擾機理分析。描述了通信整機開關電源EMI及其特點，分析了其電磁干擾機理。第四章基于Protel DXP的PCB物理模型建立。首先根據通信整機某開關電源的原理圖，對其PCB的基本參數進行設計，之后使用Protel DXP進行了印制電路板的設計，建立了其PCB的物理模型。第五章基于Ansoft Designer的PCB電磁兼容仿真分析。主要進行了同種布局下PCB不同頻率點的電磁兼容仿真分析，和不同布局下同頻率點的電磁兼容仿真分析，分析結果對PC

24、B上元件布局和電路布線具有指導意義。第六章結論。2 電磁兼容預測基本理論2.1電磁干擾基本概念電磁騷擾（EMD，Electromagnetic Disturbance）,是“任何可能引起裝置、設備或者系統(tǒng)性能降級或對有生命或無生命物質產生作用的電磁現象。電磁騷擾可能是電磁噪音、無用信號或者傳播媒介自身的變化”。電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）,是“電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或者系統(tǒng)性能的下降”。電磁騷擾僅僅是電磁現象，即客觀存在的一種物理現象，它可能引起設備性能的降低或者損壞，但不一定已經形成后果。而電磁干擾是由電磁騷擾引起的后果。過去在術語上并未

25、將物理現象與其造成的后果明確劃分，統(tǒng)稱干擾（Interference）。1990年引入了Disturbance這一術語，給出了明確的區(qū)分。但為了方便，通常人們在分析電磁干擾問題時常常與電磁騷擾聯(lián)系在一起討論，或者統(tǒng)稱為電磁干擾。抗擾度（Immunity）與電磁敏感度（EMS，Electromagnetic Susceptibility），抗擾度是指存在電磁騷擾的情況下，器件、設備或系統(tǒng)性能不降低條件下的正常運行能力；敏感度衡量的是電子設備或分系統(tǒng)對電磁環(huán)境所呈現的不希望有的響應程度。敏感度閾值越小，抗擾度越差。電磁兼容（EMC，Electromagnetic Compatibility），是指

26、器件、設備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中良好運行，并且不對其所在環(huán)境產生任何難以承受的電磁騷擾的能力。EMC涵蓋了EMI、EMS兩方面。為實現系統(tǒng)內設備不干擾、兼容運行，既要控制騷擾源的電磁發(fā)射，又要提高受騷擾對象的抗擾度。2.2 電磁兼容預測定義電磁兼容預測是指：在設計階段通過計算的方法對電氣、電子元件、設備乃至整個系統(tǒng)的電磁兼容特性進行分析。這項技術通常應用在設備或系統(tǒng)研制的方案設計和工程研制階段，其發(fā)展伴隨著計算機技術、電磁場計算方法、電路分析方法的發(fā)展而發(fā)展，目前已受到電磁兼容科研、工程技術人員越來越多的重視。印制電路板的電磁兼容性預測是通過分析計算找出其上產生干擾或易受干擾影響的因素,以便

27、于確定其設計的電磁兼容性控制技術,最終降低PCB的電磁干擾。2.3 電磁兼容預測分類電磁兼容預測具有涉及領域廣、研究對象干差萬別、預測方法多種多樣等特點。研究領域包括所有存在電氣、電子設備的場合，這樣對電磁兼容預測的分類就變得很復雜，不過可從不同的角度得到相應的分類辦法：按預測對象，可分為印制板級預測、部件級預測、分機級預測及系統(tǒng)級預測；從預測所用方法上可分為經驗法、解析法、數值法；或分為場的方法、路的方法、場路結合的方法等。考慮工程應用習慣、下面以騷擾傳播途徑為主線，騷擾類型為輔線，討論電磁兼容預測的分類并介紹各自的特點。我們知道，任何干擾的產生必然通過某種途徑由騷擾源耦合到敏感設備，按騷擾

28、途徑的不向可分為傳導類騷擾、輻射類騷擾和感應類騷擾。2.3.1傳導騷擾傳導騷擾的耦合途徑是直接相通的電路，騷擾信號正是通過此通路由騷擾源耦合到敏感設備。主要有共地阻抗耦合及共源內阻耦合兩種，一般采用路的方法予以分析。2.3.2輻射騷擾輻射騷擾是指通過空間電磁場的耦合。根據頻率高低及騷擾源、敏感設備之間的距離不同又可分為近場騷擾和遠場輻射騷擾。這決定了預測中算法的不同，而遠場騷擾又可進一步細分為共模騷擾和差模騷擾。2.3.3感應騷擾在相互靠近的導體或回路之間亦會形成騷擾，按騷擾機理的不同可進一步分為電場耦合和磁場耦合。(1) 電場耦合電場耦合是指當兩個導體相互靠近時，一根導體上的電磁能量會對另一

29、根導體產生影響，表現為電場交鏈耦合。耦合程度取決于導體的形狀、尺寸、周圍介質及相對位置，即兩導體之間的電容，故又稱容性耦合。(2) 磁場耦合與電場耦合不同，磁場耦合是指：如果兩個導電回路之間存在磁通交鏈，當其中之一流過電流時就會在另一回路上形成感應電壓，此干擾電壓又在受害電路中產生干擾電流。耦合強弱取決于騷擾源頻率、強度及兩導電回路間的互感等因索，故又稱感性耦合。2.4 電磁兼容預測內容電磁兼容預測的內容主要包括：預測要素建模、建立預測方程、分級預測。建模和預測方程是預測的基礎，而分級預測則是按先粗后細、層層深入的原則進行展開。然而電磁兼容本身的復雜性決定了電磁兼容預測專業(yè)性強、分支體系極其龐

30、雜，因此實際工作必須借計算機的強大計算能力來完成人工不可能進行的預測任務。目前，電磁兼容預測內容的實現都是通過一系列專用的電磁兼容預測軟件完成的。2.5 電磁兼容預測的意義過去由于缺乏強有力的計算工具，電磁兼容預測主要是采用解析法或經驗公式進行粗略的估計。由于計算手段的局限性，工程中更多的是依賴對設備的電磁兼容測試來發(fā)現問題，這樣做的最大弊端就是喪失了在設計階段發(fā)現并解決問題的可能性，造成產品研制時間和費用的浪費。而電磁兼容預測技術正是在設計階段發(fā)現問題的最有效手段。目前，隨著計算機技術的發(fā)展，使開展大規(guī)模的電磁兼容預測研究提供了廣闊的舞臺，有了更加光明的發(fā)展前景，國外目前已有多家軟件公司開發(fā)

31、出了用于電磁兼容預測的大型軟件，幾乎可以預測在開發(fā)電子產品過程所遇到的所有問題?？梢园旬a品的電磁兼容性問題解決在產品成型之前。2.6 電磁干擾預測中的主要算法由于電磁兼容預測對象的多樣性，決定了其計算方法的多樣性：可以說，計算電磁學的所有方法，從低頻到高頻，從解析到數值法，都在電磁兼容預測中得到應用；而且，由于實際問題的復雜性，往往還必須結合電路算法才能獲得最終的預測結果，以下將分別就場、路的主要算法原理、應用領域予以介紹。2.6.1場的方法場的方法是以分布的觀點來觀察求解的問題域。其出發(fā)點是Maxwell方程組，內容就是求解邊值問題。按求解結果與實際解的逼近程度可分為解析法和近似法兩類。其中

32、解析法是指利用數學變換，得出嚴格解。其優(yōu)點是結果準確并可籍此把握問題域中各變量之間的內在聯(lián)系、尤其是各參數對所關心結果的影響；但其缺點也很明顯，那就是只能求解極少數形狀極其簡單的場域。所以目前工程領域主要是采用近似法進行求解，這其中，數值法是應用最為廣泛的一類方法?？梢哉f，早在Maxwell時代就有數值算法的思想，但其計算量太大，缺乏實用性，正是電子計算機賦予了數值解法真正的生命力。目前在電磁兼容領域常用的數值算法主要包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）及矩量法（MoM）等，下面分別對其進行簡單的介紹。(1)有限差分法有限差分法（FDM）的核心思想是以差分代替微分，

33、即從微分方程出發(fā)，利用差分原理把微分方程轉化為差分方程組，實現連續(xù)電磁場域的離散化求解。有限差分法的基本內容包含三個方面：差分方程的形成，邊界條件的處理以及方程的求解。差分方程的導出一般采用泰勒級數法。從電磁場的微分方程出發(fā)，通過泰勒級數的展開，形成差分方程。根據已知的邊界條件，依不同的情況來修正邊界上的節(jié)點的差分方程形式。最后是對代數方程組的求解。下面依次介紹其實現步驟及應用特點。實現步驟a.邊值問題以二維靜電場為例，其第一類邊值問題可描述為 (2-1)式中，位函數，是坐標的函數。b.場域剖分為了把連續(xù)問題離散化處理，必須進行求解域的網格剖分。網格剖分以后，將會產生三類節(jié)點：邊界節(jié)點、不規(guī)則

34、節(jié)點、規(guī)則節(jié)點。進行節(jié)點分類的原因是由于不同類型的節(jié)點有不同的差分格式。c.節(jié)點差分格式根據不同類型的節(jié)點得出所有節(jié)點的差分格式后，最后可合成以各節(jié)點電位為未知量的矩陣方程 (2-2)其中，為單元系數矩陣，為節(jié)點總數；為節(jié)點電位矩陣；為右端項列矩陣。求解(2-2)式就可以得出各節(jié)點的位值并進而得出其他的相關參數。應用特點目前，有限差分法已在微波、電磁散射、雷達等領域得到廣泛應用。其最大優(yōu)點就是成熟可靠，程序模塊性強；不足之處在于處理幾何形狀復雜、變化劇烈的場域時有一定的工程難度。(2)有限元法有限元法是根據變分原理和離散化而取得近似解的方法。電磁場的問題一般都可歸結于求解偏微分方程的邊值問題。

35、有限元法不是直接對電磁場的偏微分方程去求解，而是先從偏微分方程邊值問題出發(fā)，找到一個能量泛函的積分式，并令其在滿足第一邊界條件的前提下取極值，即構成條件變分問題。這個條件變分問題是和偏微分方程邊值問題等價的。有限元法(FEM)的基本思路是通過與邊值問題對比的泛函得出等價的變分問題(即泛函的極值問題)，把連續(xù)的求解域離散成剖分單元之和，對泛函求極值，得出有限元矩陣方程，求解后得出整個問題域中的電磁場分布狀況。下面以亥姆霍茲(Helmhortz)場的有限元實現為例說明其變分、剖分等關鍵步驟的實施。變分問題齊次亥姆霍茲場值問題可表述為 (2-3)式中，為邊界法線方向；為總邊界；為波數。其變分描述為

36、(2-4)場域剖分及單元剛度矩陣在有限元剖分中，可用的單元有多種選擇，但在剖分中必須注意以下原則：a.各單元只能以頂點相交、這是建模一致性所要求的；b.求解量在不同單元的同一頂點上相等；c.為保證按統(tǒng)公式計算的單元面積總為正值,各單元頂點的編號順序須一致,即按逆時針方向編號。獲得單元剛度矩陣的關鍵之一是建立形狀函數,其泛函的矩陣表示式如式 (2-5) (2-5)其中，為單元內任一點的場位矩陣；為單元系數矩陣，也稱為單元剛度矩陣，對于三角元為矩陣，且 (2-6)式中，為頂點標號，為單元面積，取決于頂點坐標。式 (2-5) 中 (2-7)而且 (2-8)其中是只與單元形狀有關的形狀函數，它滿足式

37、(2-9) (2-9)總體合成由各單元的剛度矩陣可很容易得出合成的總剛度矩陣，為簡化討論，下面以Laplace場為例介紹總系數矩陣的合成。對于Laplace場，有 (2-10)應用特點由于其靈活的場域適應能力，有限元已被廣泛應用于多個領域，成為工程計算中一種重要的數值算法。(3)矩量法矩量法（MoM）是一種把連續(xù)方程離散化使之成為代數方程組的方法。矩量法又稱廣義伽遼金（Galcrkin）法，是求解微分方程和積分方程的重要方法，但更多用干求解積分方程。矩量法實施的關鍵是加權余數法：即通過選擇基函數和權函數，把連續(xù)域上的連續(xù)函數離散成一系列節(jié)點上的函數值?；具^程對于算子方程 (2-11)式中，為

38、算子，可以是微分或積分算子；為待求的未知函數；為已知函數，如在天線及散射問題中往往表示源或激勵函數。取適當的函數逼近，由式(2-10)可得 (2-12)式中，是余式。引入函數，使余式加權求積后為零，即 (2-13)即 (2-14)引入正交完備函數組，由于任意函數可用級數表示，即 (2-15)取前項近似表示，即 (2-16)式中，是待定系數；為基函數。把上式代入2-13有 (2-17)設為線性算子，則通過等效變換得 (2-18) 為簡化討論，引入內積表述 (2-19)則式 2-16可簡化為 (2-20)上式為一聯(lián)立線性方程組，其中未知量有如下矩陣方程 (2-21)解式（2-21）可得，并進而由式

39、（2-16）得到未知函數的近似解。從上面的過程可看出：矩量法的關鍵是基于加權余數法，實現積分計算到有限項和式的變化，這其中，基函數、權函數的選擇是關鍵。應用特點矩量法的出發(fā)點是加權余數法，基函數、權函數都有多種形式，而基函數與權函數的不同選擇可得到不同的方法。有限元的優(yōu)點是：適用范圍廣泛，可以應用于區(qū)域邊界線和內部媒質分界線形狀復雜及場域的分布變化較大的場合，有限元法的剖分要比差分法靈活，并且有限元的計算程序通用性比較強。本文采用基于有限元發(fā)的電磁分析軟件對PCB的電磁場進行仿真分析。2.6.2 路的方法路的分析方法是以集中的觀點來觀察、研究問題域。電路理論又稱電網格理論，是整個電氣科學技術中

40、一門極為重要的基礎理論。具歷史已有 100 多年，但目前工程中用到的算法主要是指 60 年代以后發(fā)展起來的近代電路理論，其基礎則是根植于以 Kirchhoff 定律、歐姆定律為代表的經典電路理論。從傳輸的內容來看，可分為實現電能量的產生、傳輸和轉換的電力系統(tǒng)；和實現信息的產生、發(fā)送、接收、處理的通訊系統(tǒng)。電磁兼容的研究范圍則涵蓋兩方面的內容。由于應用的廣泛性，電路的分類極其龐雜，如按元件特性可分為有源電路、無源電路；線性電路、非線性電路；從響應特征上可分為時變電路、時不變電路；從信號形式上可分為數字電路、模擬電路；從規(guī)模上由單立元件電路到集成電路等。在電路理論的發(fā)展方面具有以下鮮明特征：全面引

41、入網絡圖論，緊密與系統(tǒng)理論相結合，深受計算機的沖擊，非常重視對非線性電路與系統(tǒng)的研究。在分析方法上有節(jié)點類分析方法和網孔類分析方法等，在電磁兼容分析中最常應用的從直流穩(wěn)態(tài)分析和電路的瞬態(tài)分析（包括線性電路與非線性電路）。(1)直流穩(wěn)態(tài)分析在直流激勵作用下，電路最后達到穩(wěn)態(tài)，我們把這種情況下對電路的分析稱為直流分析，而分析的結果稱為直流穩(wěn)態(tài)解。如果是對非線性電路作直流分析,可以認為電路中的電容開路而電感短路。這樣在電路中的非線性元件只有非線性電阻,其對應的描述方程是非線性代數方程。對于直流穩(wěn)態(tài)分析,歐姆定律就是這種情況下最基本、最重要的描述方程。(2)瞬態(tài)分析當電路遇到突然作用的激勵時，此時計算

42、電路的瞬態(tài)過程稱為瞬態(tài)分析。若電路是線性的，其功能特性能夠用一組線性微分方程來描述；對于非時變的情況，線性微分方程具有常系數；如果電路是非線性的，描述其動態(tài)行為的是一組非線性微分代數方程組，對這類問題往往要借助于數值方法。與穩(wěn)態(tài)分析不同，瞬態(tài)電路問題的響應不僅與當前激勵有關，且與前一個狀態(tài)有關。2.6.3 場路結合在電磁兼容預測中，單純路方法或場方法往往難以解決工程問題，而場路相結合將大大改善解決問題的廣度和深度。一般而言，通過場的辦法提取等效電路參數，形成等效子電路，進而用路的方法進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)仿真。目前已有這方面的相關軟件，可以解決一些工程問題。2.7 本章內容小結本章先介紹電磁干擾的基本

43、理論，包括電磁干擾基本概念，之后介紹了電磁兼容預測的基本理論，包括電磁兼容預測的定義、意義；著重介紹了用于電磁兼容預測的基本方法：場的方法和路的方法，其中場的方法包括有限差分法（FDM）、有限元（FEM）和矩量法（MoM）,分別介紹了它們的理論理基礎及其應用特點；路的方法包括直流穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析。本章內容的介紹為下一步PCB電磁兼容預測提供了理論基礎。3 通信整機中某開關電源電磁干擾機理本課題研究對象為通信整機的某開關電源。根據研究對象，本章對其主要電磁干擾機理進行了分析說明。3.1 開關電源EMI及其特點3.1.1開關電源EMI介紹開關電源系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、電源單元及負載。電源干擾是通信整

44、機中最主要的、危害最嚴重的干擾源。電網的沖擊可能給通信整機帶來毀滅性的破壞。同時，電源是多種干擾信號侵入通信整機的途徑。這是因為：(1)電源內阻不可能為零，共用電源的部分其干擾信號都可以通過電源內阻互竄。(2)電網線上的外部干擾（如雷電、電磁發(fā)射）進入的渠道。(3)電源負載的斷開與接通也將在電網上形成很大的沖擊，特別是感性負載的沖擊更為嚴重。(4)電源本身將產生許多干擾信號。3.1.2 開關電源EMI特點與線性穩(wěn)壓電源相比,開關電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等特點,但開關電源的突出缺點是產生較強的電磁干擾。EMI信號既占有一定的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電

45、磁環(huán)境，對通信設備和電子儀器造成干擾。如果處理不當，開關電源本身就會變成一個干擾源。實踐表明，抑制開關電源的EMI，使之符合有關EMC標準或規(guī)范，是解決通信系統(tǒng)電磁兼容問題的關鍵。開關電源功率變換器中的功率半導體器件的開關頻率通常較高,功率開關器件在高頻下的通、斷過程中不可避免地要產生強大的EMI。與數字電路相比,開關器件功率大,但頻率不太高,所以開關電源EMI呈現出鮮明的特點：(1)開關電源EMI干擾源的位置較為清楚,主要集中在功率開關器件、二極管以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上。特別應當指出的是印制板布線不當也是引起電磁干擾的一個主要因素，與本課題PCB電磁兼容的對象相符。(2)由于是工

46、作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置,其電壓、電流變化率很高,產生的干擾強度較大。(3)印刷線路板布局通常采用手工布置,具有很大的隨意性,這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾預估的難度。(4)開關電源主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。3.2 開關電源電磁干擾機理分析3.2.1電磁干擾的三要素所有的電磁干擾都是由三個基本要素組成而產生的，它們是：電磁干擾源；對該干擾能量敏感的設備；耦合路徑或者傳輸通道，如圖3.1所示。相應地對抑制所有電磁干擾的方法也應由這三要素著手解決。電磁干擾源耦合路徑敏感設備圖3.1 簡單電磁干擾環(huán)境電磁干擾源是指產生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統(tǒng)或者自然現象；耦合路徑（或

47、者傳輸通道）是指將電磁干擾能量傳輸到受干擾設備的通道或者媒介；敏感設備是指受到電磁干擾影響，或者說對電磁干擾發(fā)生響應的設備。3.2.2開關電源電磁干擾分析 從干擾源的類型來分析，一般電子產品在設計時主要考慮自身的感應干擾。本節(jié)從通信整機開關電源的主要結構來分析，找出了其主要電磁干擾源。開關電源電原理簡圖和產生干擾的回路及器件如圖3.2所示。圖3.2 開關電源的電原理簡圖和產生干擾的回路其主要干擾如下：(1)一次整流回路的干擾。一次整流回路中，整流二極管D1-D4只在脈動電壓超過C1的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入端流入。正弦波通過整流器后不再是單一頻率的電流, 而是變成單向脈動電源, 此電流

48、波形分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量的疊加。較高的諧波會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾, 一方面將接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變, 另一方面通過電源線產生射頻干擾,使接收機等產生噪聲。(2)開關回路的干擾。變壓器型開關回路是實現變壓、變頻以及完成輸出電壓調整的部件, 是開關穩(wěn)壓源的核心,主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖, 其頻帶較寬而且諧波分量比較豐富。尖峰電壓的干擾來源為電磁輻射。(3)二次整流回路的干擾。電源在工作時，整流二極管D5也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級線圈L2、整流二極管D5和濾波電容C2構成了高頻開關電流環(huán)路，可能

49、向空間輻射干擾。如果電容C2濾波不足，則高頻電流將以差模形式混在輸出直流電壓上，影響負載電路的正常工作。(4)控制回路的干擾?？刂苹芈分械拿}沖控制信號是主要的干擾源。(5)分布電容引起的干擾。Ci的作用。散熱片K與開關管T的集電極絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容Ci在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過Ci流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的保護地線PE中，以產生共模輻射干擾。Cd的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容Cd，可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊上用作直流輸出的兩條電源線上產生的共模干擾。(6)來自電源線及電網的干擾。3.3 抑制PCB干

50、擾主要技術：不管復雜系統(tǒng)還是簡單裝置,任何一個電磁干擾的發(fā)生必須具備電磁干擾的三要素。所以控制干擾源的電磁輻射,切斷或抑制電磁干擾的耦合通道,提高敏感設備的抗干擾能力是電子設備和系統(tǒng)電磁兼容性設計的主要內容。(1)減小干擾源的干擾能量(2)破壞及減弱干擾噪聲傳播路徑(3)屏蔽(4)合理的元件布局與布線元器件布局的合理性直接關系到電源電路EMI水平的好壞，開關電源電路中功率器件的切換可以在連線上產生很大的干擾信號，它可以通過磁場（互感）和電場（電容）耦合到其它線路中造成干擾。一般來說，開關電源的干擾源主要集中在電壓、電流變化率大的元件和導線上，如功率場效應管，快恢復二極管，高頻變壓器以及與之相連的導線，敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設備相連的線路，因為這些干擾耦合可能會直接影響到電路的正常工作以及對外發(fā)射的干擾水平。要降低干擾水平，最簡單的方法就是增大干擾源與敏感線路的間距，但由于受電源尺寸的限制，單純的增大間距并非解決問題的最佳途徑，更為合理的方法是根據干擾電場的分布情況將敏感線路放在干擾較弱的地方。3.4