全波段电磁干扰与热分析协同仿真使产品投放市场的时间节约了20%

Barco公司在为应用于国防及航空航天领域的加固计算机的设计过程中，采用一种全波段电磁干扰(EMI)与热设计协同仿真的技术，使其节约了20%的设计开发时间。过去，Barco公司通常不得不在设计过程中生产很多样机以对付各种电磁干扰环境。在最近的一个项目中，公司在生产样机之前使用了世界领先的专门用于电磁兼容性(EMC)仿真的三维全波分析软件。通过对过去的设计和新设计的分析可以帮助工程师了解各种设计参数对EMC性能的影响，例如：一些内部机械器件在某些地方有超过预期的屏蔽效能。以前的设计是符合EMC要求的，仿真的目的是将新旧设计（版软件）进行对比。仿真使工程师们可以将设计重点集中在某些需要特别关注的地方，对其进行改进以符合EMC要求，同时无需增加成本。新版本软件的一个重要优势是普通的工程设计师就可以很好的应用它进行设计而不仅是面向那些受过高级培训的分析专家。Barco公司的环境分析经理Jean Philippe Tigneres 说：“软件使我们可以将力量集中在设计本身而不用考虑EMC现象背后的麦斯韦尔方程。”

BarcoView设计开发应用于航空电子、空中交通管制、国防安全及医疗器材方面的电子产品和应用软件。在Toulouse 设备系列中，BarcoView 设计，开发，生产国防安全部门的车载加固笔记本电脑和工作站以及航天航海应用程序的控制台。

 

空中交通管制系统显示终端 控制台 加固笔记本电脑

热管理问题

最近，Barco接到一张客户订单，他们需要一种特殊的计算机，这种计算机是专门用于国防安全方面的。它需要几个额外部件，因此相对地就比该公司其它标准产品消耗的能量要多。 

加固计算机样机

Tigneres首次使用Flomerics公司的Flotherm热仿真软件通过对新设计的建模陈述热管理问题。在设计过程中，他从软件的模型库里选择各种不同的器件并将它们置于设备的六个印刷电路板上，无需从零开始自己建模。

加固计算机的FLOTHERM模型

求解该模型得到热性能参数，其中包括节点与环境的热阻，节点与电路板的热阻和节点机箱的热阻以及在各种条件下封装内部的温度分布图。第一种解决方案显示最初的设计导致节温过高。此设备有严格的声音控制要求，因此Tigneres 不能通过再增加一个大功率风扇的方法进行散热。所以，他需要在现有的风扇条件下通过减小压降寻找增加空气对流的方法。尝试几种解决方案仿真发现增加计算机面板上的进风出风口尺寸可以将节温降低致可接受的水平。

 FLOTHERM温度速度场

这种设计修改虽然解决了热问题但增大的开孔影响了EMC性能。在以前的设计中，Barco公司的工程师们采用的是周期长且昂贵的建模测试流程来进行EMC分析。开始，他们采取了一些人工计算的方法，但这些方法仅适用于单维的情况，因此在这一复杂的设计中有很大的局限性。一般来说，工程师们需要在设计的前期、中期和后期生产多台样机以满足分析测试的需要。为军用加固计算机生产测试一台具有基本结构和PCB板的EMC样机的成本是相当高的（生产，测试，重设计）。 由于经营管理部门不愿在一个EMC性能不能达到标准的设计上消耗更多资源，设计进程通常在样机生产测试阶段停滞。Tigneres曾考虑过采用类似已在热分析中使用的仿真技术解决EMI设计问题的可能性，但不知道什麽软件可以胜任此项工作。在设计初始阶段通过EMI和热的协同仿真可以使产品投放市场的时间节约20%。
EMC仿真Simulating EMC
于是，Flomerics公司向我们推荐了FLO/EMC软件，它为模拟电子设备内部及周围的电磁感应情况提供了一个分析环境，从而实现了对棘手的设计问题产生快速解决方案的目的。FLO/EMC使工程师们在设计流程初期，物理样机生产之前就可以确定EMC设计问题。FLO/EMC与通用电磁仿真软件不同，它使用传输线法（TLM）求解麦斯韦尔方程，这在进行EMC仿真方面具有很大的优势。首先， 传输线法一次计算就可以求解全频段的频率响应，因而在一个仿真周期内就可得到系统整个带宽的响应曲线。由于潜在的谐振和辐射变化覆盖很宽的频谱范围，这种方法尤其适用于EMC分析。其次，传输线法创建等效的传输线方程，可直接求解电压和电流。这比在传统的计算网格上求解电场和磁场更节约内存和CPU占用时间。
"我使用Flomerics公司的软件进行电子设备冷却分析已经超过十年了，效果非常好," Tigneres 说,"它们的Flotherm软件一次又一次为我们提供了准确的热处理结果。我也非常赞同Flomerics公司提供可由普通工程师直接使用而无需像其它软件那样需要具备专业理论知识的实践性商业软件工具的这种理念。我希望Flo/EMC能帮助我解决EMC问题而不必去考虑麦斯韦尔方程，我没有失望，只用了一周时间我就顺利的完成了Flo/EMC的培训课程。"
对于一个需要同时满足热和EMC要求的设计的反复分析
培训课程一结束，Tigneres就用与建立热模型一样的方法创建了一个EMC仿真模型，除了选择元器件时，软件提供的库不同（FLO/EMC提供专门用于EMC分析的库），其它的建模方式几乎相同。模型建好了，Flomerics公司推荐的新版FLO/EMC软件可以实现对同一模型同时进行热和EMI的仿真分析。用户可以实时的在两种模型之间进行信息的转换并随时知道设计改变对热及EMC两方面的影响。开始，Tigneres选择正投放生产并经过EMI检测的产品进行建模。与Flomerics公司的技术支持讨论之后，他确定可以不必建立详细的PCBs模型，这样能够减少仿真的时间同时又不影响精度。

通风孔详细模型

 加固计算机的FLOEMC模型

对初始模型仿真结果表明较大的开孔对EMI的影响比预想的要小，这是由于一些内部元件提供了比预想更大的屏蔽效能。"先进的仿真帮助我们对问题有了了解The first simulation helped us understand the problem," Tigneres 说。said. EMC仿真模仿通用的MIL测试标准采用半径为1米的圆柱面扫描被分析的系统，对电场和磁场进行取样。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.扫描显示增大的开孔辐射场较高。 The scan showed a high level of radiation emanating from the enlarged openings. "从辐射波的情况来看，EMI并不是均匀地从开口处辐射的，而是比较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说. "我们依仿真显示的结果改变开孔的形状，在辐射场敏感的地方增加屏蔽同时在辐射较少的地方增大开孔。经过几次反复，我们得到了满足EMC屏蔽效能要求又不减少空气流动的设计方案。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1000兆赫兹之间的屏蔽效能较好Shielding effectiveness with no critical problems between 100 and 1000 MHz
(simulation obtained with initial flux transfer method)

"不用生产样机就能完成EMC仿真的能力在很大程度上改进了我们的设计流程，The ability to simulate EMC without a prototype is substantially improving our design process," Tigneres said. "现在，我们可以在样机生产之前验证设备的布局布线和机械设计是否符合EMC及热的要求，优化产品设计使之更符合EMI要求及结构屏蔽效能。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. 现在，如果能知道一个结构中的EMI激励源我们就可以预测在一定频带范围内的三维电磁泄漏情况。这样我们就可以实现虚拟EMC设计，最大程度的降低为减少泄漏所做的修改而且可以仅针对相关的机械部件，从而优化使用整体成本。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. 仿真帮助我们的工程师可以从EMC设计角度在以前不可能达到的程度上优化我们的产品，因为现在我们可以评估比可生产的样机更多的设计方案，仿真比测试获得的信息更多。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. 同时我们还可以减少必要的样机数量，节约时间和成本。At the same time, we are reducing the number of prototypes required, which saves time and money. 仿真也可以用在产品的提出阶段，这能够帮助我们的产品从众多竞争对手中脱颖而出。The simulations are also sometimes used as part of the proposal process, and this helps to differentiate our products from competitors. 这些改善的关键在于软件的建模速度和友好的界面使之成为工程设计师们的理想选择。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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