エンジニアコラム

第20篇 EMC計(jì)算方法和EMC仿真（5）
傳導(dǎo)抗擾度（CI）的試行計(jì)算方法

什么是ISO 11452-4標(biāo)準(zhǔn)HE法？

大家好！我是ROHM的稻垣。

第20篇也是關(guān)于電磁兼容性（EMC）的計(jì)算方法和仿真相關(guān)的內(nèi)容。本文為該系列的第（5）篇，將介紹是傳導(dǎo)抗擾度（CI： Conducted Immunity）的試行計(jì)算方法。這是涉及到汽車(chē)電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）特性的方法，即“ISO 11452-4標(biāo)準(zhǔn)HE法（Harness Excitation Method，線束激勵(lì)方法）”。

在ISO 11452-4標(biāo)準(zhǔn)中，HE法包括BCI（Bulk Current Injection，大電流注入）法和TWC（Tubular Wave Coupler，管波耦合）法兩種。這兩種方法都是通過(guò)將電磁噪聲施加于線束（模擬車(chē)輛中的電線走線），來(lái)判定DUT（測(cè)試對(duì)象）的誤動(dòng)作程度。BCI法是通過(guò)電流注入探頭施加0.1MHz～400MHz電流噪聲的一種測(cè)試方法，而TWC法則是通過(guò)耦合器施加400MHz～3GHz功率噪聲的測(cè)試方法。本文將介紹BCI法的預(yù)測(cè)計(jì)算相關(guān)內(nèi)容。

ISO 11452-4標(biāo)準(zhǔn)的BCI法是一種與上一篇文章中介紹的IEC 62132-4標(biāo)準(zhǔn)的DPI法有很大不同的測(cè)試方法。DPI法是一邊上下調(diào)整行波功率值，一邊高精度地測(cè)量 DUT（測(cè)試對(duì)象）的抗擾度。而B(niǎo)CI法則是施加比如200mA的電流噪聲，并在所有頻段測(cè)試是否會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。因此，測(cè)試結(jié)果會(huì)按照每個(gè)頻率來(lái)判定Pass/Fail。

我認(rèn)為在進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)，DPI法更容易處理。如果通過(guò)BCI法獲得Pass/Fail的測(cè)試結(jié)果，我認(rèn)為如何在電路分析（SPICE仿真）中將結(jié)果體現(xiàn)出來(lái)是一個(gè)很困擾人的問(wèn)題。在這里，我會(huì)對(duì)相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行講解。這種BCI法的預(yù)測(cè)計(jì)算是在不使用電磁場(chǎng)分析的情況下進(jìn)行的。對(duì)于可以通過(guò)電路分析解決的現(xiàn)象而言，采用BCI法能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算（此次的CPU時(shí)間約為2分鐘）。

計(jì)算對(duì)象包括車(chē)載電池、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）、線束（三線制：電源線、接地線、輸出線）、電流注入探頭、負(fù)載、EMC對(duì)策部件（這里為電容元件C） 、DUT（LSI模型）、電流噪聲源、合規(guī)性判斷裝置等。此外，這次也將通過(guò)基于測(cè)量值創(chuàng)建計(jì)算機(jī)模型（仿真模型）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下面我按照順序來(lái)逐一講解。在試行計(jì)算中，分兩個(gè)階段進(jìn)行處理，第一階段的IB（誤動(dòng)作閾值）模型提?。‥xtraction）和第二階段的預(yù)測(cè)計(jì)算（Prediction）分別使用shell腳本來(lái)自動(dòng)完成。第一階段IB（誤動(dòng)作閾值）模型提?。‥xtraction）的計(jì)算步驟如下。

■第一階段：IB（誤動(dòng)作閾值）模型提?。‥xtraction）

① 與第19篇中一樣，首先，根據(jù)上述計(jì)算對(duì)象制作計(jì)算電路圖，即直接連接測(cè)試電路使其成為計(jì)算電路的示意圖。電流注入探頭和線束在電路分析中通過(guò)變壓器耦合來(lái)體現(xiàn)。由于是三線制的，因此通過(guò)從屬方式連接3個(gè)變壓器，可以將電流噪聲均勻地施加到每條線路上。另外，用LCR測(cè)試儀測(cè)量DUT（測(cè)試對(duì)象）LSI引腳之間的阻抗，并根據(jù)其電氣特性創(chuàng)建LCR（無(wú)源器件）電路（這里是關(guān)鍵點(diǎn)?。?/p>

② 接下來(lái)，將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)值，以便對(duì)其進(jìn)行電路分析。例如，假設(shè)施加200mA的電流噪聲時(shí)，有Pass的頻率和Fail的頻率。我們將Pass的頻率的測(cè)試值設(shè)置為200mA，將Fail的頻率的測(cè)試值設(shè)置為100mA（Pass時(shí)的1/2值，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)酌情更改）。這樣，我們就成功創(chuàng)建了一個(gè)即使在電路分析中也易于處理的數(shù)字文件（這也是關(guān)鍵點(diǎn)！）。

③ 將②中得到的電流值作為信號(hào)源，通過(guò)電路分析（瞬態(tài)分析）計(jì)算出一個(gè)頻率的IB（誤動(dòng)作閾值）（到達(dá)LSI端的電流）。當(dāng)電流達(dá)到大于通過(guò)計(jì)算得出的電流值時(shí)，DUT（測(cè)試對(duì)象）會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作；當(dāng)電流小于通過(guò)計(jì)算得出的電流值時(shí)，不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，該值也就是誤動(dòng)作閾值。

④ 在所有頻率重復(fù)③中的操作。只要設(shè)置為可以通過(guò)（Shell）腳本或宏反復(fù)執(zhí)行，那么即使分析次數(shù)很多，也可以一次性執(zhí)行。將結(jié)果保存為文件并在頻率軸上繪制曲線圖，顯示如下：

IB（誤動(dòng)作閾值）模型的計(jì)算示例

另外，請(qǐng)注意，IB（誤動(dòng)作閾值）模型是被限制的固有電流值，值取決于計(jì)算電路圖和LSI模型（阻抗特性）。通過(guò)與計(jì)算電路圖或LSI模型一起使用，它就成為可以在計(jì)算機(jī)上復(fù)現(xiàn)測(cè)量時(shí)誤動(dòng)作的計(jì)算機(jī)模型（仿真模型）。（在這里，根據(jù)客戶的要求，支持1MHz～1GHz）

第二階段的預(yù)測(cè)計(jì)算（Prediction）步驟如下：

■第二階段：IB（誤動(dòng)作閾值）模型提取（Extraction）

⑤ 創(chuàng)建預(yù)測(cè)計(jì)算用的電路。與IB（誤動(dòng)作閾值）模型提取電路之間的區(qū)別在于添加了誤動(dòng)作判定器（比較器）。通過(guò)誤動(dòng)作判定器（比較器）對(duì)到達(dá)LSI的電流值和IB（誤動(dòng)作閾值）進(jìn)行比較。

⑥ 接下來(lái)，將電流噪聲的信號(hào)源設(shè)置為阻尼振動(dòng)波形。對(duì)于SPICE而言，創(chuàng)建阻尼振動(dòng)波形是比較簡(jiǎn)單的。與第19篇DPI法中使用的電流換算方法相同。

⑦ 在電路分析（瞬態(tài)分析）中，執(zhí)行了1個(gè)頻率的分析，即可獲得比如LSI從誤動(dòng)作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉钦`動(dòng)作狀態(tài)的情況。在所有頻率重復(fù)該步驟。

⑧ 在阻尼振動(dòng)波形中作為誤動(dòng)作閾值的電流值，就是所要的預(yù)測(cè)計(jì)算值。左下圖為使用與EMC對(duì)策前的IB（誤動(dòng)作閾值）模型提取電路相同的電路進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算后的曲線圖。實(shí)測(cè)值和計(jì)算值大致相同。低頻部分有較小的計(jì)算誤差，這是因?yàn)镮B（誤動(dòng)作閾值）模型的值非常小。在高頻側(cè)，準(zhǔn)確地再現(xiàn)了被判定Fail的100mA的計(jì)算值。

⑨ 添加EMC對(duì)策電路（這里使用了2個(gè)三端電容器C。與普通的二端電容器相比，這種電容器具有寄生電感L更小的特點(diǎn)）后，預(yù)測(cè)計(jì)算的結(jié)果如右下圖所示。如果預(yù)測(cè)計(jì)算值達(dá)到200mA以上，則表明該值應(yīng)該是符合標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)計(jì)算值。特別要注意的是，EMC對(duì)策之前的100mA部分，已經(jīng)被改善到與其他200mA部分同等的水平。如上所述，可以看出，通過(guò)添加電容元件，使LSI的誤動(dòng)作水平得到了改善。

左：IB（誤動(dòng)作閾值）模型創(chuàng)建電路的預(yù)測(cè)計(jì)算示例
（實(shí)測(cè)值與計(jì)算值大致一致，黑色：實(shí)測(cè)值，紅色：計(jì)算值，藍(lán)色：限值）

右：EMC對(duì)策電路（添加C=0.1uF和0.47uF時(shí)）的預(yù)測(cè)計(jì)算示例
（黑色：實(shí)測(cè)值，紅色：計(jì)算值，藍(lán)色：限值）

在該示例中，驗(yàn)證了1MHz~1GHz、200mA以上的抗誤動(dòng)作能力。從結(jié)果可以看出，無(wú)論圖中的藍(lán)線（標(biāo)準(zhǔn)限值）怎樣，在所有頻段的抗誤動(dòng)作能力均有提高。

（在ISO 11452-4標(biāo)準(zhǔn)中，1MHz~400MHz范圍的1MHz~3MHz和200MHz~400MHz的限值稍微寬松一些。此外，在0.1MHz~1MHz也設(shè)有限值。）

感謝您閱讀本文。

＜書(shū)籍參考頁(yè)碼＞
《LSI的EMC設(shè)計(jì)》，科學(xué)信息出版株式會(huì)社，2018年2月第一版，ISBN978-4-904774-68-7。

◆傳導(dǎo)抗擾度（CE）仿真簡(jiǎn)介：
第6章 通過(guò)現(xiàn)象驗(yàn)證半導(dǎo)體集成電路的電磁兼容性（2）pp.147~149

審核編輯黃宇