一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及电磁兼容领域，具体是指一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，采用电路模型提取和模块化建模，对某控制电路板的电源线端口处的传导干扰进行量化分析；通过对电路板上各段线路、主要干扰芯片和电源模块等分别进行计算和等效，获取各器件的干扰噪声源、等效电阻R、电感L、电容C、电导G参数和内部逻辑电路，分别进行模块化封装，从而构建整个电源系统的等效电路模型，并通过电路仿真即可获得电源线上各点的传导干扰波形和量化频谱；本发明可以在设计前期对印制电路板上关键线路的传导电磁干扰频率和幅度进行量化分析，找出电磁兼容性差的部分进行优化设计，降低整个电路板的电磁干扰程度，从而可以降低研发周期和成本。
【专利说明】一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁兼容领域，具体是指一种对印制电路板级电磁兼容中传导电磁干扰的幅度和频率进行建模分析和量化预测的系统和方法。
【背景技术】
[0002]根据国家标准GB/T4365 电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)术语中的定义，电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两个方面。
[0003]电磁干扰(EMI)是电磁骚扰引起对设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰(EMI)包括传导干扰和辐射干扰两部分，其中传导干扰是指电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。
[0004]印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)是电力电子系统的基本组成部分,其板级电磁兼容性直接影响整个系统的电磁兼容性能。
[0005]随着电力电子系统拓扑和内部结构日趋复杂，其电磁兼容性问题也日益突出，其中印制电路板的传导电磁干扰直接影响了整个系统的电磁兼容性能。目前在工程中，印制电路板的电磁兼容性设计一般采用工程经验方法，其传导干扰数据都是在制板完成调试结束后获取的。一旦出现电磁兼容问题，一般需要重新设计和制板，影响了研发周期和成本。
【发明内容】
[0006]本发明为解决上述技术难题，提供了一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，目的在于，在设计前期对印制电路板上关键线路的传导电磁干扰频率和幅度进行量化分析，找出电磁兼容性差的部分进行优化设计，降低整个电路板的电磁干扰程度，从而可以降低研发周期和成本。
[0007]本发明的技术方案如下:
一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统，其特征在于:包括干扰芯片有源和无源参数提取单元、干扰源模型参数提取单元、复杂传输线网络参数提取单元、矩阵式负载参数提取单元、系统级模型仿真单元和传导骚扰量化分析单元；
干扰芯片有源和无源参数提取单元用于将印制电路板上的电源模块、关键干扰芯片、有源器件、无源器件分别等效为谐波噪声模型、干扰源模型、有源电路模型和无源电路模型；
干扰源模型参数提取单元用于提取所述谐波噪声模型和干扰源模型参数，根据谐波噪声模型和干扰源模型的实际特性，构建为等效噪声源模型；
复杂传输线网络参数提取单元通过计算和测试提取印制电路板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建多端口模型，得到传输线网络多端口阻抗矩阵；
【权利要求】
1.一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统，其特征在于:包括干扰芯片有源和无源参数提取单元(I)、干扰源模型参数提取单元(2)、复杂传输线网络参数提取单元(3)、矩阵式负载参数提取单元(4)、系统级模型仿真单元(5)和传导骚扰量化分析单元(6)； 干扰芯片有源和无源参数提取单元(I)用于将印制电路板上的电源模块、关键干扰芯片、有源器件、无源器件分别等效为谐波噪声模型、干扰源模型、有源电路模型和无源电路模型； 干扰源模型参数提取单元(2)用于提取所述谐波噪声模型和干扰源模型参数，根据谐波噪声模型和干扰源模型的实际特性，构建为等效噪声源模型； 复杂传输线网络参数提取单元(3)通过计算和测试提取印制电路板中的阻抗参数，并利用该阻抗参数构建多端口模型，得到传输线网络多端口阻抗矩阵； 矩阵式负载参数提取单元(4)用于将电路板上非关键干扰电路等效为多节点矩阵式负载模型，并进行模块化封装； 系统级模型仿真单元(5)用于将有源电路模型、无源电路模型、噪声源模型、传输线网络多端口阻抗矩阵和多节点矩阵式负载模型通过电路原理组合起来，构建电路仿真模型，从而得到线路上各节点处的噪声电压波形； 传导骚扰量化分析单元(6)用于将系统级模型仿真单元(5)中得到的噪声电压波形转换为噪声电压频谱Vn = f I (frq),并与实际采用的电磁兼容标准线Vref = f2 (frq)比较，从而获得实际电路板传导电磁干扰超标频率段和各频率点的噪声电压幅值超标量dV，dV=Vn - Vref ;其中，Vn为各频率点的噪声电压幅值，frq为频率，Vref为各频率点的噪声电压标准限值。
2.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于:所述干扰芯片有源 和无源参数提取单元(I)将电源模块等效为谐波噪声模型，该模型与电源模块的开关频率相关；将关键干扰芯片等效为干扰源模型；将有源器件等效为包含有源器件内部逻辑电路的SPICE模型和包含有源器件引脚封装寄生参数的IBIS模型，所述SPICE模型通过芯片手册构建，所述IBIS模型包含了关键干扰芯片的各引脚的寄生电阻R、电感L、电容C、电导G参数；将无源器件等效为包含寄生参数的无源电路模型。
3.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于:根据器件实际特性，等效噪声源模型包括:恒功率电压源、变功率电压源U = f(P)、压控电流源I = f(U)、周期性脉冲源、伪随机码脉冲源。
4.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于:所述传输线网络多端口阻抗矩阵为，其中=Z11表不第一端口的自阻抗；Z12表不第一端口与第二端口的互阻抗；Zln表示第一端口与第η端口的互阻抗；Z21表示第二端口与第一端口的互阻抗；Z22表示第二端口的自阻抗；Z2n表示第二端口与第η端口的互阻抗；Znl表不第η端口与第一端口的互阻抗；Zn2表不第η端口与第二端口的互阻抗；Zm表不第η端口的自阻抗。
5.根据权利要求3所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于:所述传输线网络多端口阻抗Z矩阵转换为多端口散射参数S矩阵后，S矩阵中的插入损耗和回波损耗可以直接反映输入信号在传输线网络上的反射情况。
6.根据权利要求1所述的一种印制电路板级传导电磁干扰建模的系统和方法，其特征在于:所述矩阵式负载参数提取单元(4)根据各非关键干扰电路的功率、电压、电流和寄生参数，分别等效为RLC电路，并构建多端口负载网络。
7.根据上述系统实现的方法，其特征在于:采用电路模型提取和模块化建模的方法，对某控制电路板的电源线端口处的传导干扰进行量化分析；通过对电路板上各段线路、主要干扰芯片和电源模块等分别进行计算和等效，获取各器件的干扰噪声源、等效电阻R、电感L、电容C、电导G参数和内部逻辑电路，并分别进行模块化封装，从而构建整个电源系统的等效电路模型；通过电路仿真即可获得电源线上各点的传导干扰波形和量化频谱。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于具体实施步骤如下: 步骤1:构建电源模块的等效谐波噪声模型，该模型与电源模块的开关频率相关；分析电源模块输出电压波形，得到开关频率和整数倍开关频率处的纹波电压峰值，等效为谐波噪声模型； 步骤2:构建关键干扰芯片的等效干扰源模型，该模型与关键干扰芯片的工作状态相关；分析关键干扰芯片的工作频率、工作电压和工作电流，将其等效为电压干扰源模型和电流干扰源模型； 步骤3:构建有源器件的等效有源电路模型，由基于芯片内部逻辑电路的SPICE模型和基于芯片引脚封装参数的IBIS模型组成；所述SPICE模型包括与/或/非门、三极管、上拉/下拉电阻、电流源和三态门，通过有源器件的用户手册构建；所述IBIS模型包括电源引脚、地引脚、输入引脚和输出引脚，包含了有源器件各引脚的寄生电阻R、电感L、电容C、电导G参数； 步骤4:构建无源器件的等效无源电路模型；各无源器件等效为包含器件主参数和寄生参数的R、L、C、G无源电路模型；` 步骤5:构建等效噪声源模型；将电源模块的等效谐波噪声模型和关键干扰芯片的等效干扰源模型等效为不同的噪声源模型，噪声源模型包括恒功率电压源、变功率电压源U =f(P)、压控电流源I = f(U)、周期性脉冲源、伪随机码脉冲源模型； 步骤6:构建传输线网络多端口阻抗矩阵；将电路板每段线路等效为各无源二端口网络模型，包括输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，并按照电路串并联逻辑组成多端口阻抗矩阵；所述各无源二端口网络模型内部为电阻R、电感L、电容C、电导G参数，所述电阻R、电感L、电容C、电导G参数通过分析线路的材料、结构和尺寸并计算获得； 步骤7:构建非关键干扰电路的多节点矩阵式负载模型；通过对非关键干扰电路的电源和负载特性进行分析，将电路等效为包含等效串联负载的电压源和包含等效并联负载的电流源，并封装为多节点矩阵式负载模型； 步骤8:构建系统级仿真模型；将上述有源电路模型、无源电路模型、噪声源模型、传输线网络多端口阻抗矩阵和多节点矩阵式负载模型根据电路逻辑组合起来，构建电路仿真模型，从而得到线路上各节点处的噪声电压波形； 步骤9:传导骚扰量化分析；将仿真得到的线路节点噪声电压波形进行FFT分析，转换为噪声电压频谱Vn = f I (frq),并与实际采用的电磁兼容标准线Vref = f2 (frq)比较,从而获得实际电路板传导电磁干扰超标频率段和各频率点的噪声电压幅值超标量dV，dV=Vn-Vref ;其中，Vn为各频率点的噪声电压幅值，frq为频率，Vref为各频率点的噪声电压标准限值。
【文档编号】G06F17/50GK103488840SQ201310449455
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】肖文静, 唐健, 王多平, 边晓光 申请人:中国东方电气集团有限公司