全波段電磁干擾與熱分析協(xié)同仿真使產(chǎn)品投放市場的時間節(jié)約了20%

Barco公司在為應(yīng)用于國防及航空航天領(lǐng)域的加固計算機的設(shè)計過程中，采用一種全波段電磁干擾(EMI)與熱設(shè)計協(xié)同仿真的技術(shù)，使其節(jié)約了20%的設(shè)計開發(fā)時間。過去，Barco公司通常不得不在設(shè)計過程中生產(chǎn)很多樣機以對付各種電磁干擾環(huán)境。在最近的一個項目中，公司在生產(chǎn)樣機之前使用了世界領(lǐng)先的專門用于電磁兼容性(EMC)仿真的三維全波分析軟件。通過對過去的設(shè)計和新設(shè)計的分析可以幫助工程師了解各種設(shè)計參數(shù)對EMC性能的影響，例如：一些內(nèi)部機械器件在某些地方有超過預(yù)期的屏蔽效能。以前的設(shè)計是符合EMC要求的，仿真的目的是將新舊設(shè)計（版軟件）進(jìn)行對比。仿真使工程師們可以將設(shè)計重點集中在某些需要特別關(guān)注的地方，對其進(jìn)行改進(jìn)以符合EMC要求，同時無需增加成本。新版本軟件的一個重要優(yōu)勢是普通的工程設(shè)計師就可以很好的應(yīng)用它進(jìn)行設(shè)計而不僅是面向那些受過高級培訓(xùn)的分析專家。Barco公司的環(huán)境分析經(jīng)理Jean Philippe Tigneres 說：“軟件使我們可以將力量集中在設(shè)計本身而不用考慮EMC現(xiàn)象背后的麥斯韋爾方程。”

BarcoView設(shè)計開發(fā)應(yīng)用于航空電子、空中交通管制、國防安全及醫(yī)療器材方面的電子產(chǎn)品和應(yīng)用軟件。在Toulouse 設(shè)備系列中，BarcoView 設(shè)計，開發(fā)，生產(chǎn)國防安全部門的車載加固筆記本電腦和工作站以及航天航海應(yīng)用程序的控制臺。

 

空中交通管制系統(tǒng)顯示終端 控制臺 加固筆記本電腦

熱管理問題

最近，Barco接到一張客戶訂單，他們需要一種特殊的計算機，這種計算機是專門用于國防安全方面的。它需要幾個額外部件，因此相對地就比該公司其它標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品消耗的能量要多。 

加固計算機樣機

Tigneres首次使用Flomerics公司的Flotherm熱仿真軟件通過對新設(shè)計的建模陳述熱管理問題。在設(shè)計過程中，他從軟件的模型庫里選擇各種不同的器件并將它們置于設(shè)備的六個印刷電路板上，無需從零開始自己建模。

加固計算機的FLOTHERM模型

求解該模型得到熱性能參數(shù)，其中包括節(jié)點與環(huán)境的熱阻，節(jié)點與電路板的熱阻和節(jié)點機箱的熱阻以及在各種條件下封裝內(nèi)部的溫度分布圖。第一種解決方案顯示最初的設(shè)計導(dǎo)致節(jié)溫過高。此設(shè)備有嚴(yán)格的聲音控制要求，因此Tigneres 不能通過再增加一個大功率風(fēng)扇的方法進(jìn)行散熱。所以，他需要在現(xiàn)有的風(fēng)扇條件下通過減小壓降尋找增加空氣對流的方法。嘗試幾種解決方案仿真發(fā)現(xiàn)增加計算機面板上的進(jìn)風(fēng)出風(fēng)口尺寸可以將節(jié)溫降低致可接受的水平。

 FLOTHERM溫度速度場

這種設(shè)計修改雖然解決了熱問題但增大的開孔影響了EMC性能。在以前的設(shè)計中，Barco公司的工程師們采用的是周期長且昂貴的建模測試流程來進(jìn)行EMC分析。開始，他們采取了一些人工計算的方法，但這些方法僅適用于單維的情況，因此在這一復(fù)雜的設(shè)計中有很大的局限性。一般來說，工程師們需要在設(shè)計的前期、中期和后期生產(chǎn)多臺樣機以滿足分析測試的需要。為軍用加固計算機生產(chǎn)測試一臺具有基本結(jié)構(gòu)和PCB板的EMC樣機的成本是相當(dāng)高的（生產(chǎn)，測試，重設(shè)計）。 由于經(jīng)營管理部門不愿在一個EMC性能不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計上消耗更多資源，設(shè)計進(jìn)程通常在樣機生產(chǎn)測試階段停滯。Tigneres曾考慮過采用類似已在熱分析中使用的仿真技術(shù)解決EMI設(shè)計問題的可能性，但不知道什麼軟件可以勝任此項工作。在設(shè)計初始階段通過EMI和熱的協(xié)同仿真可以使產(chǎn)品投放市場的時間節(jié)約20%。
EMC仿真Simulating EMC
于是，F(xiàn)lomerics公司向我們推薦了FLO/EMC軟件，它為模擬電子設(shè)備內(nèi)部及周圍的電磁感應(yīng)情況提供了一個分析環(huán)境，從而實現(xiàn)了對棘手的設(shè)計問題產(chǎn)生快速解決方案的目的。FLO/EMC使工程師們在設(shè)計流程初期，物理樣機生產(chǎn)之前就可以確定EMC設(shè)計問題。FLO/EMC與通用電磁仿真軟件不同，它使用傳輸線法（TLM）求解麥斯韋爾方程，這在進(jìn)行EMC仿真方面具有很大的優(yōu)勢。首先， 傳輸線法一次計算就可以求解全頻段的頻率響應(yīng)，因而在一個仿真周期內(nèi)就可得到系統(tǒng)整個帶寬的響應(yīng)曲線。由于潛在的諧振和輻射變化覆蓋很寬的頻譜范圍，這種方法尤其適用于EMC分析。其次，傳輸線法創(chuàng)建等效的傳輸線方程，可直接求解電壓和電流。這比在傳統(tǒng)的計算網(wǎng)格上求解電場和磁場更節(jié)約內(nèi)存和CPU占用時間。
"我使用Flomerics公司的軟件進(jìn)行電子設(shè)備冷卻分析已經(jīng)超過十年了，效果非常好," Tigneres 說,"它們的Flotherm軟件一次又一次為我們提供了準(zhǔn)確的熱處理結(jié)果。我也非常贊同F(xiàn)lomerics公司提供可由普通工程師直接使用而無需像其它軟件那樣需要具備專業(yè)理論知識的實踐性商業(yè)軟件工具的這種理念。我希望Flo/EMC能幫助我解決EMC問題而不必去考慮麥斯韋爾方程，我沒有失望，只用了一周時間我就順利的完成了Flo/EMC的培訓(xùn)課程。"
對于一個需要同時滿足熱和EMC要求的設(shè)計的反復(fù)分析
培訓(xùn)課程一結(jié)束，Tigneres就用與建立熱模型一樣的方法創(chuàng)建了一個EMC仿真模型，除了選擇元器件時，軟件提供的庫不同（FLO/EMC提供專門用于EMC分析的庫），其它的建模方式幾乎相同。模型建好了，F(xiàn)lomerics公司推薦的新版FLO/EMC軟件可以實現(xiàn)對同一模型同時進(jìn)行熱和EMI的仿真分析。用戶可以實時的在兩種模型之間進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)換并隨時知道設(shè)計改變對熱及EMC兩方面的影響。開始，Tigneres選擇正投放生產(chǎn)并經(jīng)過EMI檢測的產(chǎn)品進(jìn)行建模。與Flomerics公司的技術(shù)支持討論之后，他確定可以不必建立詳細(xì)的PCBs模型，這樣能夠減少仿真的時間同時又不影響精度。

通風(fēng)孔詳細(xì)模型

 加固計算機的FLOEMC模型

對初始模型仿真結(jié)果表明較大的開孔對EMI的影響比預(yù)想的要小，這是由于一些內(nèi)部元件提供了比預(yù)想更大的屏蔽效能。"先進(jìn)的仿真幫助我們對問題有了了解The first simulation helped us understand the problem," Tigneres 說。said. EMC仿真模仿通用的MIL測試標(biāo)準(zhǔn)采用半徑為1米的圓柱面掃描被分析的系統(tǒng)，對電場和磁場進(jìn)行取樣。The EMC simulation sampled electric and magnetic fields using a cylindrical scan around the system on a 1m radius, mimicking a common MIL test standard.掃描顯示增大的開孔輻射場較高。 The scan showed a high level of radiation emanating from the enlarged openings. "從輻射波的情況來看，EMI并不是均勻地從開口處輻射的，而是比較集中在某些特定位置Seeing how the waves were emanating from the box made it clear that EMI was not escaping uniformly from the openings but rather that certain locations were much more critical," Tigneres said說. "我們依仿真顯示的結(jié)果改變開孔的形狀，在輻射場敏感的地方增加屏蔽同時在輻射較少的地方增大開孔。經(jīng)過幾次反復(fù)，我們得到了滿足EMC屏蔽效能要求又不減少空氣流動的設(shè)計方案。We used this information to change the shape of the openings, providing shielding in the most sensitive areas while opening up others that were less critical. Over a few iterations, we were able to generate a design that met our EMC requirements in terms of shielding effectiveness, without reducing airflow."

100到1000兆赫茲之間的屏蔽效能較好Shielding effectiveness with no critical problems between 100 and 1000 MHz
(simulation obtained with initial flux transfer method)

"不用生產(chǎn)樣機就能完成EMC仿真的能力在很大程度上改進(jìn)了我們的設(shè)計流程，The ability to simulate EMC without a prototype is substantially improving our design process," Tigneres said. "現(xiàn)在，我們可以在樣機生產(chǎn)之前驗證設(shè)備的布局布線和機械設(shè)計是否符合EMC及熱的要求，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計使之更符合EMI要求及結(jié)構(gòu)屏蔽效能。We are now able to validate equipment layout and mechanical design before building a prototype, and optimize the product for EMI requirements and structural shielding effectiveness. 現(xiàn)在，如果能知道一個結(jié)構(gòu)中的EMI激勵源我們就可以預(yù)測在一定頻帶范圍內(nèi)的三維電磁泄漏情況。這樣我們就可以實現(xiàn)虛擬EMC設(shè)計，最大程度的降低為減少泄漏所做的修改而且可以僅針對相關(guān)的機械部件，從而優(yōu)化使用整體成本。We can now predict the three-dimensional electromagnetic leakages in a structure where we have known EMI sources in a certain frequency band. Then we can perform "virtual" EMC design, minimizing modifications in order to decrease leakages and acting only on the relevant mechanical parts, thus optimizing the overall cost impact. 仿真幫助我們的工程師可以從EMC設(shè)計角度在以前不可能達(dá)到的程度上優(yōu)化我們的產(chǎn)品，因為現(xiàn)在我們可以評估比可生產(chǎn)的樣機更多的設(shè)計方案，仿真比測試獲得的信息更多。Simulations help our designers to optimize our products from an EMC perspective to a level that wasn't possible in the past, because we can evaluate more designs than we could ever prototype, and because simulation provides more information than testing. 同時我們還可以減少必要的樣機數(shù)量，節(jié)約時間和成本。At the same time, we are reducing the number of prototypes required, which saves time and money. 仿真也可以用在產(chǎn)品的提出階段，這能夠幫助我們的產(chǎn)品從眾多競爭對手中脫穎而出。The simulations are also sometimes used as part of the proposal process, and this helps to differentiate our products from competitors. 這些改善的關(guān)鍵在于軟件的建模速度和友好的界面使之成為工程設(shè)計師們的理想選擇。The key to these improvements is the fact that the user-friendliness and modeling speed of the software makes it ideal for use by design engineers."

 

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