旗艦軟體

線上影音

Home > ANSYS Simplorer教學  > Radiated EMI Analysis using Simplorer+HFSS

 

本文始於2017，並於2020與2021更新。以2021R2 Simplorer+HFSS示範如何模擬電源轉換器的輻射型EMI，並考慮100cm雙絞纜線的影響。

模擬電力電子的EMI，請一定使用2021R2或更新版，以確保Simplorer dynamic link HFSS的push excitation值是正確的。

  1. Radiated EMI from PCB+ 3D Inductor

  2. Radiated EMI from improved PCB+ 3D Inductor

  3. Radiated EMI from PCB+ 3D Inductor+ Cable

  4. Consider the Coupling between Capacitor and Inductor

  5. 問題與討論Q&A

    5.1 HFSS emission test report為何不需要分垂直與水平?

    5.2 為何增加core材料的導磁率不只會增加電感的L，R也會增加?

    5.3 電力電子EMC模擬，Designer circuit與Simplorer使用上如何選擇?

    5.4 1.5如果把PCB與電感模型分開萃取，然後在電路內整合，結果會一樣嗎?

    5.5 HFSS emission test report是PK(Peak), QP(Quasi-peak), Avg(Average)哪一種?

  6. Reference

  1. Radiated EMI from PCB+ 3D Inductor 

1.1 Generate a Maxwell 3D inductor model from PExprt at first, and modify it to be a HFSS 3D model.

Pay attention to creating a correct inductor 3D model with suitable material properties, and make sure both of the L and R result are correct. For this case, R=1.34 ohm, L=5.76uH at Fs=100KHz. (上圖的X,Y軸都是指數表示)

電感值與繞線匝數的平方成正比，與導磁率成正比[1]。如果在同尺寸的元件內，為了提高感值增加匝數而縮小線徑，會導致R增加。

增加core材料的導磁率不只會增加電感的L，R也會增加。

1.2 Generate a HFSS 3D PCB model from SIwave with Alink exporting

1.3 Combine the PCB model with the 3D inductor in HFSS (using 3D component)

1.4 Links HFSS and run transient analysis in Suimplorer

1.4.1 Original DC-DC converter circuit, it doesn't consider real parasitic effect from 3D PCB and inductor

1.4.2 Better circuit, it considers real parasitic effects from both 3D PCB and inductor

自2021R2起，Simplorer link HFSS的程序採用與Designer link HFSS相同的Dynamic Link技術(不再透過.sml)，同時也修正了原Simplorer link HFSS做push excitation得到的EMI值過小的問題。

[Twin Builder] \ [SubCircuit] \ [Add HFSS Dynamic Component] in Simplorer

Compare the waveforms (below left side is the one without 3D PCB and inductor parasitic effects)

左邊(沒考慮PCB寄生)比右邊(考慮PCB寄生)的C1.V略大，反應出PCB寄生效應所造成的些微損耗，而D2.V波形差異則較不明顯。

即使時域波形看來沒差，Simplorer暫態分析的min. time step (Hmin)還是要設的夠小(<所觀察頻寬兩倍的倒數, 0.5ns)，得到的高頻EMI表現會較準確

1.5 After transient analysis, do [push excitation], that will generate source data by FFT.

Following 1.4.2

  • 從時域上可以看出訊號大約在200us後才穩定下來，所以取start time=200us，stop time=500us
    T=500-200=300us, Resolution Bandwidth RB=1/T=3.33e+3   (3.33KHz)
    Max. Freq.=RB*#Harmonic=3.33e+3*1e+6=1e+9=1GHz
  • Noise threshold (dB)默認是40，對此例來說請改成160，這樣轉出來的振幅\相位source table，才會在比較高頻的地方也還能看到值(高頻諧波能量值很小)

1.6 Run HFSS analysis with discrete frequency sweep to get EMI report (10M~1GHz) as below.

下圖是2021R2 Simplorer+HFSS push excitation解出的結果

HFSS plots |Emax| as a function of frequency, regardless of direction for emission report.

1.7 Plot Near-Field and Far-field

100MHz

660MHz

    觀察E-field與H-field near field，都是100MHz比660MHz強

    改以3D polar觀察far-field，就可以看出確實660MHz(下圖右)的遠場Gain比100MHz(下圖左)強，且從場型的方向來看，整個遠場輻射的效果與PCB佈局和3D電感的整個結構有關。

  1. Radiated EMI from improved PCB+ 3D Inductor 

Run HFSS analysis with discrete frequency sweep to get EMI report (10M~1GHz) as below.

E-field and H-field at 100MHz

E-field and H-field at 790MHz

Far-field 3D polar plot 100MHz vs. 790MHz

  1. Radiated EMI from PCB+ 3D Inductor+ cable 

Consider PCB with 100cm twisted cable as below

E-field at 790MHz

加上一米長的cable後，在三米處所測得的遠長輻射EMI明顯較高。

  1. Consider the Coupling between Capacitor and Inductor 

介紹兩篇論文，以HFSS模擬電力電子系統中電感與電容的3D空間耦合效應

4.1 考慮電感與電容耦合前，模擬與量測對不起來 [5]

考慮電感與電容耦合後，模擬與量測十分吻合 [5]

4.2 把PCB走線布局、功率電感與電容的3D模型都在HFSS建模，以確實考慮其間寄生效應造成的空間耦合 [6]

MLCC陶瓷電容的建模與模擬，請參考這裡

這篇論文非常好，闡述了一個關鍵手法：如何在電力電子模擬中，不用硬解整個複雜系統結構而能正確考慮功率元件間的3D空間耦合效應。

    關鍵是要理解系統中主要的耦合路徑，然後抽取出寄生參數帶入電路中模擬。

2016還有一篇做得很好的[7]

  1. 問題與討論Q&A

5.1 HFSS emission test report為何不需要分垂直與水平? 

Ans：HFSS reports |Emax| regardless direction，所以不須分垂直水平

5.2 為何增加core材料的導磁率不只會增加電感的L，R也會增加? 

Ans：以同樣結構尺寸的導體來說，純銅線材的RL是會比銅鎳合金的RL低的，所以材料的導磁性，不只會影響L也會影響R。但比較令筆者意外的是，包覆在導體外側的磁性材料(鐵粉心)，同樣不只會影響該導線的L，也會對增加R有所貢獻。

5.3 電力電子EMC模擬，Designer circuit與Simplorer使用上如何選擇? 

Ans：傳導EMI建議使用Simploere+Q3D模擬

輻射EMI建議使用Designer circuit+HFSS模擬。雖然Simplorer+HFSS也可以，但因為Designer circuit較擅長於處理寬頻的SYZ模型，在某些應用情境下，會覺得Designer circuit+HFSS更合適。

5.4 1.5如果把PCB與電感模型分開萃取，然後在電路內整合，結果會一樣嗎? 
Ans：很接近。差不多就是1.4.1與1.4.2的差別。

5.5 HFSS emission test report是PK(Peak), QP(Quasi-peak), Avg(Average)哪一種? 

Ans：準峰值檢測(QP)與平均值檢測(AVG)的定義，如下圖所示[2][3]

量測雖然有PK\QP\AVG之分，但其差異主要是接收儀器充放電時間長短的差別。

量測實務上只有一個天線接收點，代測物需要360度轉動掃描，特定頻點的EMI會忽高忽低跳動(EMI有時是特定角度才會抓到，有些是偶爾出現，有些是週期性出現的能量)。但對於模擬軟體來說， 由於能直接輸出|Emax|，所以只要resolution bandwidth夠小能抓到特定頻率，就相當於是顯示PK值。

PK測會過，QP, AVG就會過。而法規基於不同的產品，有些是看QP，有些是看AVG來判會不會過 。

HFSS emission test report有三種後處理的輸出(下圖紅色箭頭所指)，其中的第一種(下圖綠框內)即可用來跟PK量測比對的。

那其他兩種輸出，怎麼用，是麼意思呢?

假設訊號源因為Tr改變，即在頻域上的能量強度改變，那不需要重跑circuit simulation與push excitation，可以直接以後處理來改變EMI source的強度，並得到對應新的EMI emission report。只要設定不同的Rise Time, Hold Time，就可以得到不同的emission report。

  1. Reference 

[1] 維基百科 -- 電感元件

[2] EMI量測簡介 -- Agilent, p23~24

[3] EMI幾種不同的測試方式

[4] 基本電學 -- 電感器

[5] Wei Chen, "Near Field Coupling Effects on Conducted EMI in Power Converter", IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2006.

[6] Takashi Masuzawa, "Modeling Method of Stray Magnetic Couplings in an EMC Filter for Power Electronic Devices", IEEE Journal of Industry Applications, 2015.

[7] Keita Takahashi, "Simulation of Shielding Performance Against Near Field Coupling to EMI Filter for Power Electronic Converter using FEM", IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC EUROPE 2016).