MEMS系統(tǒng)的EMC合規(guī)性提高了99%

作者：Ricardo Zaplana and Richard Anslow

MEMS系統(tǒng)用于鐵路、風(fēng)力渦輪機(jī)、電機(jī)控制和機(jī)床應(yīng)用中的振動監(jiān)測，以提高安全性、降低成本并最大限度地延長設(shè)備的使用壽命。與競爭技術(shù)相比，MEMS傳感器具有卓越的低頻性能，能夠更早地檢測鐵路和風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)用中的軸承缺陷。顯著的成本節(jié)約與更高的設(shè)備缺陷檢測率相結(jié)合，確保符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。振動監(jiān)測需要寬帶寬（0 Hz至23 kHz）、低噪聲性能和寬振動測量范圍（2 g至200 g）。使用ADI公司廣泛的MEMS產(chǎn)品組合可以輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

有線通信系統(tǒng)用于振動監(jiān)測，其中收集來自多個傳感器的原始數(shù)據(jù)，或者使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時控制。實(shí)施有線狀態(tài)監(jiān)控 （CbM） 系統(tǒng)存在一些挑戰(zhàn)。一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在數(shù)米的電纜上運(yùn)行時的電磁兼容性 （EMC） 魯棒性，這可能會受到間接雷電浪涌、靜電放電和環(huán)境噪聲（如電感或容性負(fù)載的切換）的影響。對EMC干擾的魯棒性差會間歇性或永久性地降低從CbM系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，如圖1所示。隨著時間的推移，質(zhì)量差的數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致有關(guān)資產(chǎn)運(yùn)行狀況和維護(hù)的錯誤決策。

本文概括介紹了在設(shè)計 EMC 標(biāo)準(zhǔn)時遇到的主要難題，這些挑戰(zhàn)應(yīng)與當(dāng)今高度集成的 CbM 解決方案相協(xié)調(diào)。眾所周知，EMC設(shè)計很難在第一次就正確，即使是電路或?qū)嶒?yàn)室測試設(shè)置的微小變化也會極大地影響測試結(jié)果。本文介紹了一種系統(tǒng)級EMC仿真方法或虛擬實(shí)驗(yàn)室，可幫助工程師在創(chuàng)紀(jì)錄的時間內(nèi)使設(shè)計符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。

為什么系統(tǒng)級EMC仿真很重要？

現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)時間表包括一項(xiàng)并行的 EMC 法規(guī)遵從性任務(wù)。EMC設(shè)計應(yīng)盡可能無縫，但事實(shí)往往并非如此，EMC問題和實(shí)驗(yàn)室測試使產(chǎn)品發(fā)布延遲數(shù)月。與單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室測試相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室EMC仿真方法可幫助工程師更快地解決EMC問題。虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬方法有助于解決實(shí)現(xiàn)EMC合規(guī)性的關(guān)鍵問題，因?yàn)椋?/p>

現(xiàn)代 PCB 設(shè)計中集成度和元件密度的增加會導(dǎo)致復(fù)雜的問題，并具有多個 EMC 故障路徑。與單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室測試相比，仿真可以幫助確定最佳的EMC緩解技術(shù)，其方式更加靈活和省時。

EMC標(biāo)準(zhǔn)有時是模棱兩可的，這意味著如果以不同的方式測試電路，則會獲得不同的測試結(jié)果。與實(shí)驗(yàn)室測試相比，使用仿真可以更快地更改測試并獲得結(jié)果。

整個系統(tǒng)的構(gòu)建需要確保EMC合規(guī)性，包括電纜選擇、長度和屏蔽以及測量設(shè)置。使用仿真，可以忽略實(shí)際測量探頭的影響，并且可以在幾秒鐘內(nèi)而不是幾小時內(nèi)更改電纜模型。

被測設(shè)備可能與客戶的安裝不同，導(dǎo)致不同的測試結(jié)果。使用仿真，可以更好地建模和理解真實(shí)的客戶應(yīng)用程序。

現(xiàn)有的仿真工具并不統(tǒng)一，并且仿真模型不容易用于電纜和PCB幾何形狀。虛擬實(shí)驗(yàn)室允許集成電纜、PCB 以及無源和有源組件模型，并獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

系統(tǒng)級EMC仿真有哪些優(yōu)勢？

系統(tǒng)級EMC仿真可大大縮短產(chǎn)品的上市時間。這是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的：

快速識別電路弱點(diǎn)并提出有針對性的改進(jìn)建議。

在捕獲 EMC 故障和了解故障機(jī)制方面提高了 99%。

顯著節(jié)省成本 — 無需執(zhí)行多次設(shè)計和測試迭代。

節(jié)省大量時間 — 設(shè)計不需要多次迭代，考慮到 PCB 板布局、制造和組裝的交付周期，可將開發(fā)進(jìn)度縮短數(shù)月。

EMC 挑戰(zhàn)

在當(dāng)今高度集成的傳感器系統(tǒng)設(shè)計中，EMC面臨的一些挑戰(zhàn)很常見。首先，現(xiàn)代高密度PCB設(shè)計使通過EMC測試成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。共享電源和數(shù)據(jù)線架構(gòu)（幻象電源）通常用于降低系統(tǒng)成本和PCB面積（更少的PCB連接器）。IEPE標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于振動傳感器技術(shù)，為振動傳感器提供恒流源，傳感器輸出電壓在同一根導(dǎo)線上回讀，如圖2所示。這種2線系統(tǒng)意味著電源和數(shù)據(jù)通信線路會受到相同的EMC干擾，從而增加了EMC設(shè)計的復(fù)雜性。EMC濾波元件需要仔細(xì)選擇，以減輕電源干擾，但也不得降低數(shù)據(jù)電路通信帶寬。

圖2.具有共享數(shù)據(jù)和電源架構(gòu)的2線IEPE傳感器接口。

其次，許多工業(yè)產(chǎn)品都規(guī)定了系統(tǒng)級EMC標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度，制造商聲明產(chǎn)品抗擾度為A類（無通信錯誤）或B類（通信錯誤，但系統(tǒng)不需要重置）。A類合規(guī)性的閾值可能因制造商而異，通常由誤碼率（BER）或振動傳感器的等效微伏或微g范圍確定。A類順從閾值通常是一個非常低的電壓，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)可以測量的最小信號。傳導(dǎo)RF抗擾度標(biāo)準(zhǔn)允許用戶使用BER定義系統(tǒng)的通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)，同時指定一些設(shè)置細(xì)節(jié)和噪聲注入電平。關(guān)于什么是最合適的設(shè)置和 BER，有很大的解釋空間，這給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)：如何將實(shí)驗(yàn)室設(shè)計驗(yàn)證測試設(shè)置與實(shí)際客戶應(yīng)用相匹配，特別是當(dāng)測試設(shè)置的微小變化可能導(dǎo)致測試結(jié)果發(fā)生巨大變化時。

第三，最常見的EMC測試程序需要在去EMC認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試之前構(gòu)建完整的系統(tǒng)。完整的系統(tǒng)包括電纜選擇、長度和屏蔽。不同的電纜具有不同的電容規(guī)格，這反過來又會將或多或少的EMC噪聲耦合到受影響的系統(tǒng)中。電纜長度和屏蔽接地會導(dǎo)致高EMC頻率下的阻抗不匹配以及不同的接地電流返回路徑。構(gòu)建系統(tǒng)時，首選的測試方法是單獨(dú)測試每個子單元的EMC抗擾度;然而，在實(shí)際應(yīng)用中，整個系統(tǒng)將受到相同的EMC噪聲的影響。這些只是難以將工廠EMC測試與客戶實(shí)驗(yàn)室測試相關(guān)聯(lián)的部分原因。

鑒于當(dāng)今高度集成的設(shè)計和EMC測試的復(fù)雜性，很明顯，需要一種省時靈活的EMC設(shè)計方法。實(shí)驗(yàn)室測試之前和期間的仿真就是答案。我們的目標(biāo)是以最少的時間和精力獲得正確的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果。

使用虛擬實(shí)驗(yàn)室加快調(diào)試并解決 EMC 問題

ADI公司的系統(tǒng)級專業(yè)知識和EMC仿真技術(shù)促成了虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真流程的開發(fā)，如圖3所示。虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使第一次就獲得正確的EMC設(shè)計變得更加容易，執(zhí)行虛擬設(shè)計迭代，而不是耗時且昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置和測量迭代。計算能力、SPICE、電磁場模擬器和 CAD 軟件已經(jīng)融合并達(dá)到了這個虛擬實(shí)驗(yàn)室可行的成熟點(diǎn)，工程師現(xiàn)在可以達(dá)到前所未有的精度和仿真速度。可以對PCB，電纜，集成電路芯片和無源元件以及EMC激勵進(jìn)行建模。可以分析結(jié)果，快速識別電路弱點(diǎn)并提出有針對性的改進(jìn)建議。

圖3.從真實(shí)實(shí)驗(yàn)室遷移到虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

使用虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，設(shè)計人員可以在測試期間訪問系統(tǒng)的任何物理節(jié)點(diǎn)，而不會受到實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的典型測量限制（例如，測量設(shè)備帶寬、實(shí)驗(yàn)室限制、探頭的非理想阻抗和外部噪聲）干擾測量。

幾種常見的工業(yè)IEC 61000系統(tǒng)級EMC標(biāo)準(zhǔn)測試可以在PCB制造之前進(jìn)行仿真，如表1所示。

MEMS 和仿真案例研究

本節(jié)介紹仿真案例研究以及與實(shí)驗(yàn)室測量的相關(guān)性，使用圖4振動監(jiān)控電路和ADI公司的ADXL1002 MEMS加速度計。該電路與廣泛使用的IEPE接口兼容，如圖2所示。該電路包含兩個并聯(lián)穩(wěn)壓器，其中一個（IC1）為加速度計和AD8541運(yùn)算放大器（IC3）供電，另一個（IC4）提供9.5 V直流偏置。當(dāng)系統(tǒng)上電且ADXL1002為靜態(tài)時，通信總線保持在12 V dc。圖3中的電路要求符合IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度，這是工業(yè)應(yīng)用中設(shè)備的常見要求。

圖4.采用ADXL1002和IEPE兼容接口的MEMS電路。

關(guān)聯(lián)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真需要幾個流程步驟，總結(jié)如下：

真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置和仿真環(huán)境關(guān)聯(lián)

使用虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)仿真模型（圖 3）

使用仿真確定 EMC 弱點(diǎn)的設(shè)計

使用仿真確定 EMC 改進(jìn)的設(shè)計

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證 EMC 改進(jìn)設(shè)計

第 1 步：真實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置和仿真環(huán)境關(guān)聯(lián)

IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾度測試適用于在存在射頻（RF）場的環(huán)境中運(yùn)行的產(chǎn)品。射頻場可以作用于連接到已安裝設(shè)備的整個電纜長度。在IEC 61000-4-6測試中，RF電壓從150 kHz步進(jìn)到80 MHz。RF電壓由1 kHz正弦波調(diào)制80%幅度（AM）。IEC 61000-4-6 標(biāo)準(zhǔn)將 3 級指定為 10 V/m 時的最高射頻電壓。RF電壓注入電纜屏蔽層，或使用鉗位進(jìn)行電容耦合。

如表2所示，虛擬和真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之間需要關(guān)聯(lián)幾個關(guān)鍵參數(shù)：

測試級別和IEC EMC標(biāo)準(zhǔn)（幅度，頻率）

電纜規(guī)格（長度、電容、屏蔽）

系統(tǒng)接地（包括電纜屏蔽層）

測量參數(shù)（電路中的什么和位置）

測試通過/失敗閾值（幅度、頻率）

第 2 步：使用虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)仿真模型

通常，SPICE型號可用于大多數(shù)有源和無源電路組件。電磁模擬器可以模擬其他非標(biāo)準(zhǔn)組件，例如PCB幾何形狀和網(wǎng)絡(luò)，以及電纜模型。

表 2 中收集的信息有助于確保電纜參數(shù)的準(zhǔn)確建模。該系統(tǒng)使用 2 芯屏蔽電纜，與非屏蔽電纜相比，成本更高。從EMC的角度來看，沒有電纜屏蔽會使系統(tǒng)更弱。與屏蔽電纜系統(tǒng)相比，使用非屏蔽電纜進(jìn)行仿真時，EMC噪聲明顯增加。

MEMS IEPE電路（如圖4所示）設(shè)計為盡可能緊湊（1.9厘米×1.9厘米），僅使用兩個PCB層。由于耦合電容和串?dāng)_較高，使用2層PCB會增加潛在的EMC問題，因此必須仔細(xì)設(shè)計。

此時，系統(tǒng)設(shè)計工程師可以使用電磁仿真工具開始提取PCB和電纜的模型，并將其鏈接到IC和無源元件的SPICE模型?，F(xiàn)在可以執(zhí)行SPICE仿真，并且EMC激勵可以在系統(tǒng)級別進(jìn)行交互。圖5顯示了PCB物理幾何形狀和網(wǎng)絡(luò)以及2芯屏蔽電纜的電磁仿真模型。三維PCB SPICE模型是對PCB物理布局的完整抽象。3D PCB SPICE 型號包括許多引腳，可用于連接 MEMS、運(yùn)算放大器和并聯(lián)穩(wěn)壓器 SPICE 模型。通過這種方式，可以執(zhí)行極其精確的電氣仿真。與更改和測試實(shí)際硬件相比，可以更改無源元件值（電容器、電阻器、電感器），并且可以以更省時和更靈活的方式觀察和校正系統(tǒng)諧振。電纜SPICE模型可以在測試期間修改，例如，可以增加或減少電纜長度，這可能會對EMC耦合和系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響。

圖5.PCB物理幾何形狀和網(wǎng)絡(luò)的電磁仿真模型，以及2芯屏蔽電纜。

EMC時域仿真完成后，工程師可以分析電路瞬態(tài)響應(yīng)隨時間和頻率的變化。根據(jù)EMC測試的類型，必須進(jìn)行瞬態(tài)或頻率分析。瞬態(tài)分析的例子可以進(jìn)行抗擾度測試，頻域的例子是輻射發(fā)射EMC測試（更多信息見表1）。

第 3 步：使用仿真確定 EMC 弱點(diǎn)設(shè)計

對整個系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真后，就很容易找到故障機(jī)制。EMC噪聲電壓注入電纜屏蔽層。然后，噪聲電壓通過電纜屏蔽層和電線芯之間的寄生電容耦合。噪聲被引導(dǎo)至PCB上的ACC節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。噪聲電流路徑遵循阻抗最小的路徑，在本例中通過電容C8到達(dá)運(yùn)算放大器輸出。運(yùn)算放大器因此而飽和，從電源（VDD）節(jié)點(diǎn)吸收高電流。The IC1 VDD穩(wěn)壓器無法提供如此高的電流;因此，VDD電壓下降。五世DD壓降會暫時關(guān)閉MEMS傳感器（標(biāo)稱電壓為5 V），導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出端產(chǎn)生電壓紋波（噪聲）。

圖6.電路故障機(jī)制。

確定了第二種故障模式，僅使用實(shí)驗(yàn)室測試很難或不可能觀察和調(diào)試。高頻傳輸線通常端接與傳輸電纜阻抗相匹配的負(fù)載。由于低頻（千赫茲）數(shù)據(jù)通信，IEPE電纜通常未端接。但是，當(dāng)EMC噪聲注入60 MHz至70 MHz范圍時，噪聲電壓會反映在通信總線上，因?yàn)殡娎|未端接匹配負(fù)載。

第 4 步：使用仿真確定 EMC 改進(jìn)的設(shè)計

目標(biāo)是確定成本最低、最有效的電路更改，以緩解EMC問題。這兩個EMC問題可以通過增加兩個電容來解決，如圖7所示。The 22 nF C電磁兼容將噪聲引導(dǎo)至敏感電路（運(yùn)算放大器、MEMS）之外，噪聲電流現(xiàn)在通過C1電容分流至地，如圖所示?？梢蕴砑釉?00 MHz頻率下具有高阻抗的鐵氧體磁珠，以提供額外的保險，以阻止任何殘余噪聲。該 C術(shù)語在EMC測試期間以高頻分流電纜反射。

圖7.針對 EMC 改進(jìn)而設(shè)計。

如步驟 3 中所述，VDD電網(wǎng)故障是EMC敏感性的可靠指標(biāo)。圖8顯示了V中的壓降DD電源網(wǎng)其中 C電磁兼容未使用。仿真預(yù)測壓降約為2 V或更大。當(dāng) C電磁兼容使用時，與標(biāo)稱值的偏差在微伏范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于1.6 mV的目標(biāo)順從閾值。

圖8.模擬 VDD帶 C 的電源網(wǎng)絡(luò)電磁兼容電容器（綠色波形）和不帶 C電磁兼容（藍(lán)色波形）。

ADI公司的ADXL1002 MEMS傳感器具有11 kHz的3 dB帶寬，因此選擇C電磁兼容和 C術(shù)語對于保持 11 kHz 通信總線至關(guān)重要。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的靈活性，模擬了許多電容值，并選擇了兩個最佳電容值。添加這些電容后，預(yù)計系統(tǒng)將滿足噪聲電壓小于1.6 mV的EMC通過標(biāo)準(zhǔn)。

步驟 5：在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證 EMC 改進(jìn)設(shè)計

如圖4所示，原始電路使用表2參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試。結(jié)果是在77 MHz測試頻率下出現(xiàn)912 mV噪聲的嚴(yán)重故障。

按照步驟 4 建議，使用 22 nF 電容器 （C電磁兼容） 與電阻 R3 并聯(lián)添加。這導(dǎo)致99%的改善，測量的噪聲小于6 mV，如圖9實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果（藍(lán)色波形）所示。

圖9.遵循虛擬實(shí)驗(yàn)室建議的模擬和實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)噪聲低于1.6 mV的設(shè)計目標(biāo)，100 nF C術(shù)語在 ACC 和 GND 節(jié)點(diǎn)之間以及 C 之間添加電磁兼容22 nF.圖9顯示了綠色仿真結(jié)果，噪聲曲線在0.15 MHz至80 MHz寬頻譜上趨于平緩。

一旦實(shí)現(xiàn)了結(jié)果和目標(biāo)，就可以從EMC的角度確定系統(tǒng)的哪個部分是最薄弱的環(huán)節(jié)。在這種情況下，電纜是主要貢獻(xiàn)者，因?yàn)樗鼘MC能量從源頭耦合到電路，并且由于其長度和更高頻率的端接阻抗而引起反射。兩個電容器（C術(shù)語和 C電磁兼容）能夠有效地將兩個噪聲源分流到電纜接地。替代解決方案和方法，例如取代運(yùn)算放大器，是不現(xiàn)實(shí)的。用超低輸出阻抗運(yùn)算放大器代替運(yùn)算放大器是一個糟糕的選擇，因?yàn)榈洼敵鲎杩蛊骷逃休^高的功耗，這會影響整體設(shè)計的競爭力。

結(jié)論

通過對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以對電路在EMC應(yīng)力下的行為提供前所未有的見解，是解決復(fù)雜EMC問題的最佳方法。使用這種方法可以大大縮短上市時間。使用本文中描述的工藝流程，EMC 的設(shè)計改進(jìn)了 99% 以上。

審核編輯：郭婷