EMC計算方法概述

2021/11/16

大家好！我是ROHM的稻垣。
本文是第16篇，從本文開始我們來談一談電磁兼容性（EMC）的計算方法和仿真。
說起EMC，毫不夸張地說，是否符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)是判斷半導(dǎo)體集成電路（LSI）完善度的標(biāo)準(zhǔn)，也是是否采用相應(yīng)產(chǎn)品的絕對條件。因此，負(fù)責(zé)EMC的工程師主要在用來測試試制品和量產(chǎn)品的EMC測試場地或消聲室工作。在我們ROHM公司，在測試方面要求始終注意“測試的準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性”。如字面意思所表達(dá)的，測試準(zhǔn)確性需要通過提高測試精度，追求接近真值的測試值，因此需要環(huán)境構(gòu)建和測試技術(shù)。而測試再現(xiàn)性則意味著同一樣品無論測試多少次都可以獲得相同的測試值。由于EMC實(shí)測值的最大值和最小值范圍很寬（例如60dB～100dB），因此在設(shè)計半導(dǎo)體集成電路（LSI）的電路時，對精度（比如0.1dB）要求不高也是一個特點(diǎn)。但是，這些都是非常重要的指標(biāo)，而且這些指標(biāo)與后面要介紹的EMC計算方法也密切相關(guān)。
關(guān)于EMC相關(guān)的計算方法，很多EDA供應(yīng)商都出售電磁場分析工具，這些工具在EMC工程師中也有不同的用途。我認(rèn)為其中最常見的用途是印刷電路板（PCB）的仿真。近年來，印刷電路板（PCB）的層數(shù)逐漸增多，有助于減少旨在消除EMC問題的試制次數(shù)和試制時間。如果能夠通過仿真來判斷是否符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，那么對于LSI供應(yīng)商來說無疑是非常方便的事，但目前世界上貌似還沒有相應(yīng)的仿真工具。
因此，我稍微調(diào)查了一下目前世界上有多少與EMC計算和仿真相關(guān)的概念。國際電工委員會（IEC）對半導(dǎo)體集成電路（LSI）的EMC模型進(jìn)行了定義，并發(fā)布了下面的內(nèi)容。順便提一下，Part 5目前尚未定案。

IEC 62433標(biāo)準(zhǔn)

下面這兩項(xiàng)是這些標(biāo)準(zhǔn)中非常重要的定義，是非常重要和基礎(chǔ)的概念，既適用于傳導(dǎo)，也適用于輻射。

有幾種有效的計算方法。數(shù)據(jù)同化（Data Assimilation）是將實(shí)測值輸入到模型中以獲得高精度結(jié)果的技術(shù)，該技術(shù)已在天氣預(yù)報和地震觀測領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。最近的新聞報道稱，日本理化學(xué)研究所RIKEN將利用這一數(shù)據(jù)同化技術(shù)，著手計算新型冠狀病毒的流行感染情況?？梢哉f它是實(shí)測值與計算值的融合技術(shù)，從以往的“只看實(shí)測”和“只看仿真”的思路中向前邁進(jìn)了一大步。
此外，一種稱為“降噪”（Noise Reduction）的方法也非常有效。在EMC現(xiàn)象中，實(shí)測值和計算值都是非常龐大的數(shù)據(jù)，如果直接使用針對每個頻率的值，將很難得到預(yù)期的結(jié)果。因此，業(yè)內(nèi)開發(fā)了這種降噪方法。不過這種方法具體執(zhí)行起來很簡單，就是對實(shí)測值和計算值進(jìn)行包絡(luò)檢波（Envelope-demodulation），這種方法大大扭轉(zhuǎn)了業(yè)內(nèi)所面臨的這種難題。
這些是關(guān)于EMC計算和EMC仿真的概念。另外，只要利用電路分析、電磁場分析、數(shù)值分析來創(chuàng)建shell腳本，似乎就可以嘗試進(jìn)行市場上還沒有的EMC國際標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性判斷。順便提一下，在試行計算方法中，各種分析的區(qū)分使用如下：

作為參考，在下面列出了目前電磁兼容性（EMC）的試行計算方法示例。由于主角是半導(dǎo)體集成電路（LSI），因此在這里無法計算到應(yīng)用產(chǎn)品和系統(tǒng)，但業(yè)內(nèi)為了逐步增加可以判斷的EMC國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，正在推進(jìn)相關(guān)的研究、開發(fā)和試行計算。從下一次開始，我將依次為大家介紹其中一些有代表性的計算方法。

本次內(nèi)容基本就是這些，可能有人注意到從本文開始我們探討的內(nèi)容難起來了。說實(shí)話，恐怕這個主題相關(guān)的內(nèi)容僅憑這個專欄是不足以詳細(xì)介紹完的。從事半導(dǎo)體集成電路（LSI）設(shè)計和對該領(lǐng)域感興趣的讀者，可以在參閱下面這本書的同時閱讀本專欄的相關(guān)內(nèi)容。

《LSI的EMC設(shè)計》，科學(xué)信息出版株式會社，2018年2月第一版，ISBN978-4-904774-68-7。
目前，關(guān)于半導(dǎo)體集成電路（LSI）的電磁兼容性（EMC）設(shè)計的出版物很少。本書盡可能地不使用數(shù)學(xué)公式，而是以通俗易懂的方式幫助讀者俯瞰現(xiàn)象并掌握概念。關(guān)于EMC仿真，也是從基礎(chǔ)寫起的，希望大家可以將其作為本專欄的補(bǔ)充資料充分利用。此外，今后我將在專欄末尾列出用來補(bǔ)充本專欄所介紹內(nèi)容的書籍參考頁碼，如下所示：

◆IEC 62433標(biāo)準(zhǔn)簡介：第5章 通過現(xiàn)象驗(yàn)證半導(dǎo)體集成電路的電磁兼容性（1）p.124～
◆EMC仿真簡介：第6章 通過現(xiàn)象驗(yàn)證半導(dǎo)體集成電路的電磁兼容性（2）p.139～

感謝您閱讀本文。

審核編輯黃宇