微機電系統(tǒng)EMC達到99%改進幅度

本文闡述針對現(xiàn)今高度整合CbM解決方案因應(yīng)EMC標(biāo)準(zhǔn)兼容性進行設(shè)計時所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。EMC的設(shè)計頗有難度，即使是電路或?qū)嶒炇覝y試設(shè)定進行微幅變更都會大幅影響測試結(jié)果。本文說明一種系統(tǒng)層級EMC仿真方法或虛擬實驗室，可協(xié)助工程師縮短時間內(nèi)完成EMC兼容的設(shè)計工作。
微機電系統(tǒng)廣泛用于鐵路、風(fēng)力發(fā)電機、馬達控制、工具機等環(huán)境中，目的是用于監(jiān)測振動，藉以提升安全性、降低成本、以及盡力提高設(shè)備的使用壽命。MEMS傳感器的低頻效能，能比其他技術(shù)更早偵測出鐵路與風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用的軸承損壞。大幅節(jié)省成本加上對各種設(shè)備瑕疵達到更高的偵測率，確保能符合各種嚴(yán)苛的安全標(biāo)準(zhǔn)。較寬的帶寬（0 Hz至23 kHz）、低噪聲性能、以及較寬的振動量測范圍（2 g至200 g），這些都是振動偵測的必要條件。而這些目標(biāo)全都可運用Analog Devices陣容廣泛的MEMS產(chǎn)品輕易達成。
監(jiān)測振動采用無線通信系統(tǒng)，用來和各處負責(zé)搜集原始數(shù)據(jù)的傳感器進行通訊，或是利用原始數(shù)據(jù)執(zhí)行實時控制。建置有線狀態(tài)監(jiān)測（CbM）系統(tǒng)面臨許多挑戰(zhàn)。其中一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是透過數(shù)公尺纜線運行時的電磁兼容（EMC）強固性，這類環(huán)境會受到包括間接照明電涌、靜電放電、以及像是電感性或電容性負載切換等環(huán)境噪聲。
因應(yīng)EMC擾動能力不良，可能導(dǎo)致從CbM系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量出現(xiàn)間歇性或永久性的衰退，如圖1所示。長久下來，質(zhì)量不良的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致對資產(chǎn)健康與維護做出不正確的決策。



 
圖1 : 有線式CbM系統(tǒng)鏈接振動傳感器置于EMC干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境

本文闡述針對現(xiàn)今高度整合CbM解決方案因應(yīng)EMC標(biāo)準(zhǔn)兼容性進行設(shè)計時所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。EMC的設(shè)計從一開始就極為困難，即使是電路或?qū)嶒炇覝y試設(shè)定進行微幅變更都會大幅影響測試結(jié)果。本文將介紹一種系統(tǒng)層級EMC仿真方法或虛擬實驗室，其可協(xié)助工程師在創(chuàng)紀(jì)錄的時間內(nèi)完成EMC兼容的設(shè)計工作。

為何系統(tǒng)層級EMC仿真非常重要?
現(xiàn)代產(chǎn)品的開發(fā)時程包含同步進行的EMC兼容設(shè)計任務(wù)。針對EMC的設(shè)計應(yīng)盡可能無縫銜接，但往往事與愿違，EMC問題與實驗室測試經(jīng)常會讓產(chǎn)品上市延后數(shù)個月之久。虛擬實驗室EMC仿真方法協(xié)助工程師解決各種EMC問題，其速度遠快過僅采用實驗室測試的方式。
在達成EMC兼容性方面，虛擬實驗室模擬方法能解決關(guān)鍵問題，原因包括：
? 提高現(xiàn)代印刷電路板設(shè)計的整合度與組件密度，除了可能導(dǎo)致許多復(fù)雜問題，還會衍生許多EMC失效途徑。模擬有助于判斷最佳EMC抑制技巧，而且比光使用實驗室測試的作法更加有彈性與省時。
? EMC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范有時含糊不明，意謂若是以不同方法測試電路可能會出現(xiàn)不同結(jié)果。相較于實驗室測試，使用模擬方法可迅速變更測試與獲得結(jié)果。
? 整個系統(tǒng)需要在確保EMC兼容性的前提下進行開發(fā)，包含選用纜線的種類、長度、遮蔽，以及量測的設(shè)定。若是采用模擬法，實際量測時的探針效應(yīng)就能忽略，而且更換纜線從以往費時數(shù)小時大幅縮短至數(shù)秒鐘。
? 由于各家客戶采用的受測設(shè)備不同，可能導(dǎo)致得到不同的測試結(jié)果。使用仿真法能更適切地模型分析與了解實際客戶應(yīng)用。
? 現(xiàn)有模擬工具并未統(tǒng)一，而且也沒有針對纜線與電路板制定適用的仿真模型。虛擬實驗室除了整合纜線、電路板、以及被動與主動組件模型，還能獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

系統(tǒng)層級EMC仿真特性
系統(tǒng)層級EMC仿真透過以下各點特性，能夠加快產(chǎn)品上市時程：
? 迅速找出電路弱點，提供針對性建議協(xié)助改進
? 找出EMC失效以及了解失效形成機制，這方面的工作成效能改進99%
? 大幅節(jié)省成本：無須執(zhí)行反復(fù)的設(shè)計與測試嘗試
? 大幅縮短時間：無須反復(fù)嘗試多次設(shè)計方案，縮短數(shù)個月之久的開發(fā)時程，節(jié)省包括電路板線路配置、制造、組裝的前置作業(yè)時間

EMC挑戰(zhàn)
現(xiàn)今高度整合的傳感器系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)常面臨許多EMC挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)代高整合度電路板設(shè)計讓通過EMC測試成為艱難的任務(wù)。經(jīng)常藉由共享電源與數(shù)據(jù)線架構(gòu)（幻象電源）的作法來降低系統(tǒng)成本與電路板尺寸（較少的電路板鏈接）。振動傳感器技術(shù)廣泛采用的IEPE標(biāo)準(zhǔn)能為振動傳感器提供恒定的電流源，并透過同一條線路讀回傳感器輸出訊號，如圖2所示。


圖2 : 一個雙線式IEPE傳感器透過接口鏈接共享數(shù)據(jù)與電源架構(gòu)

這種雙線式系統(tǒng)意謂電源與數(shù)據(jù)通訊線會受到相同的EMC干擾，以致在針對EMC進行設(shè)計時會額外增加復(fù)雜度。EMC濾波組件必須審慎挑選以抑制各種電源干擾，但亦須避免降低數(shù)據(jù)電路的通訊帶寬。
第二，系統(tǒng)層級EMC標(biāo)準(zhǔn)，像是IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾性，針對許多工業(yè)產(chǎn)品所制定，制造商會標(biāo)明產(chǎn)品的抗擾性達到Class A（沒有通訊誤差）或Class B（具有通訊誤差，但系統(tǒng)不必重置）。各家制造商的Class A門坎會有差異，通常以位錯誤率（BER）或等價的微伏或micro-g來標(biāo)示振動傳感器的功能。
Class A兼容門坎通常會極低的電壓，遠低于系統(tǒng)能量測到的最小訊號。傳導(dǎo)射頻抗擾性標(biāo)準(zhǔn)讓用戶能用BER為系統(tǒng)定義通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)，以及規(guī)范設(shè)定細節(jié)與噪聲拒斥位準(zhǔn)。
最適合設(shè)定與BER需要深入探索，同時也成為系統(tǒng)設(shè)計者的一大挑戰(zhàn):如何讓實驗室設(shè)計驗證測試設(shè)定能因應(yīng)實際客戶的應(yīng)用，尤其是當(dāng)測試設(shè)定的微幅變動可能導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)巨幅變化。
第三，大多數(shù)常見EMC測試程序要求做出整個系統(tǒng)后，再送到EMC驗證實驗室進行測試。全系統(tǒng)包含挑選纜線、長度及遮蔽。不同纜線會有不同的電容規(guī)格，可能將更多或更少的EMC噪聲耦合到受影響系統(tǒng)中。纜線長度與遮蔽接地可能導(dǎo)致在高EMC頻率以及不同接地電流返回路徑上出現(xiàn)阻抗不匹配的狀況。
在建構(gòu)系統(tǒng)時，較理想的測試方法是每個次單元單獨進行EMC抗擾性測試; 然而在實際應(yīng)用中，整個系統(tǒng)可能受到相同EMC噪聲所影響。這些還只是一部分的原因?qū)е聫S方EMC測試很難對比客戶實驗室的測試。
由于現(xiàn)今各種高整合度設(shè)計與EMC測試的復(fù)雜性，促使業(yè)界需要一種能節(jié)省時間的彈性設(shè)計模式。在實驗室測試之前進行模擬會是解決之道。目前鎖定的目標(biāo)是在耗費最少的時間與精力下取得正確的實驗室數(shù)據(jù)。

運用虛擬實驗室加快除錯與解決EMC問題
Analog Devices的系統(tǒng)層級專業(yè)與EMC模擬技巧促成虛擬實驗室仿真流程，如圖3所示。虛擬實驗室環(huán)境讓用戶更容易首次上手就完成EMC設(shè)計，用戶執(zhí)行的是反復(fù)嘗試虛擬設(shè)計，取代費時又昂貴的實驗室設(shè)定與反復(fù)量測步驟。運算力、SPICE、電磁場仿真、以及CAD軟件都達到成熟階段，讓這種虛擬實驗室成為可行方案，讓工程師現(xiàn)在可達到前所未有的精準(zhǔn)度與仿真速度。電路板、纜線、整合電路芯片與被動組件都能建模分析，以及進行EMC模擬。除了分析結(jié)果，還能快速找出電路弱點以及提供針對性建議協(xié)助進行改進。


 
圖3 : 從真實實驗室轉(zhuǎn)移至虛擬實驗室環(huán)境

運用虛擬實驗室環(huán)境，開發(fā)業(yè)者在測試過程中可存取系統(tǒng)任何實體節(jié)點，不會產(chǎn)生在實際實驗室所面臨的常見量測限制–像是量測設(shè)備帶寬、實驗室限制、探棒的非理想阻抗、以及外部噪聲–這些都會對量測產(chǎn)生干擾。
在開始制造電路板之前仿真多項常見工業(yè)IEC 61000系統(tǒng)層級EMC標(biāo)準(zhǔn)測試，如表1所示。

MEMS與模擬案例研究
本節(jié)介紹模擬案例及與實驗室量測的對比，圖4的振動監(jiān)測電路中采用Analog Devices的ADXL1002 MEMS加速計，這個電路兼容于廣泛使用的IEPE接口，如圖2所示。電路中含有兩個分路調(diào)節(jié)器，其中一個（IC1）為加速計供電；另外，還有AD8541 運算放大器（IC3），以及第二個（IC4）提供9.5 V 直流偏壓。當(dāng)系統(tǒng)開始送電而ADXL1002為靜態(tài)，通訊總線會在12 V dc 進行重置。圖3的電路必須符合IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾性的標(biāo)準(zhǔn)，這項標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)應(yīng)用設(shè)備的常見規(guī)范。

實際實驗室對比虛擬實驗室模擬，需要多個制程步驟：
1. 實際實驗室設(shè)定對比模擬環(huán)境
2. 運用虛擬實驗室開發(fā)仿真模型（如圖3所示）
3. 運用模擬找出設(shè)計中的EMC弱點
4. 使用仿真找出設(shè)計問題以改進EMC性能
5. 在實際實驗室中驗證設(shè)計以改進EMC性能
關(guān)于制程步驟內(nèi)容敘述如下：

步驟1 真實實驗室設(shè)定對比模擬環(huán)境
IEC 61000-4-6傳導(dǎo)射頻抗擾性測試適用于在射頻（RF）場環(huán)境中工作的產(chǎn)品。射頻場會作用于連到安裝設(shè)備的整段纜線。在EC 61000-4-6測試中，射頻電壓從150 kHz 步進到80 MHz。射頻電壓由1 kHz正弦波進行80%的振幅調(diào)變（AM）。IEC 61000-4-6 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在10 V/m下Level 3為最高射頻電壓。射頻電壓注入到纜線遮蔽層，或用箝位電路（clamp）進行電容耦合。

如表2所示，虛擬與實際實驗室環(huán)境需要對比幾項關(guān)鍵參數(shù)：

? 測試位準(zhǔn)與 IEC EMC 標(biāo)準(zhǔn)（振幅，頻率）
? 纜線規(guī)格（長度、電容、遮蔽）
? 系統(tǒng)接地（包括纜線遮蔽）
? 量測參數(shù) （電路中的組件與位置）
? 測試通過/失敗門坎（振幅、頻率）

步驟2 運用虛擬實驗室發(fā)展仿真模型
通常廠商會提供大多數(shù)主動與被動電路組件的SPICE模型。電磁仿真器可仿真其他非標(biāo)準(zhǔn)組件，像是電路板幾何與網(wǎng)絡(luò)，以及纜線模型。
表2所搜集的信息協(xié)助確保精準(zhǔn)模型分析纜線參數(shù)。這個系統(tǒng)采用雙芯遮蔽線，成本高于無遮蔽線。沒有遮蔽層讓系統(tǒng)的EMC抗擾性較低。運用無遮蔽線進行仿真，結(jié)果顯示EMC噪聲遠多過遮蔽式纜線系統(tǒng)。MEMS IEPE電路，如圖4所示，盡可能設(shè)計成精巧尺寸（1.9 cm × 1.9 cm），只有2層PCB電路。使用2層PCB會增加潛在的EMC問題，因為有較高的耦合電容以及串音，因此必須小心設(shè)計。



 
圖4 : MEMS 電路采用ADXL1002 與IEPE兼容接口

在這個時間點，系統(tǒng)設(shè)計工程師可以開始為PCB與纜線整理出模型，使用電磁仿真工具，將其連接到IC與被動組件的SPICE模型。之后再執(zhí)行SPICE仿真，以及在系統(tǒng)層級與EMC仿真進行互動。
圖5顯示PCB物理幾何與網(wǎng)絡(luò)以及雙芯遮蔽線的電磁模擬。三維電路板SPICE模型是PCB物理配置的完整抽象模型，包含許多針腳，可用來連結(jié)MEMS、運算放大器、以及分路調(diào)節(jié)器的SPICE模型。透過這種方式，可執(zhí)行極精準(zhǔn)的電氣模擬。被動組件數(shù)據(jù)（電容、電阻、電感）都可以變更，系統(tǒng)響應(yīng)可觀察與修改，相較于變更與測試實際硬件的作法，可更快速且富彈性。纜線的SPICE模型也可在測試時進行模型分析–像是纜線長度可以增加或縮減，線長會對EMC耦合與系統(tǒng)效能有顯著的影響。



 
圖5 : 為電路板物理幾何與網(wǎng)絡(luò)以及雙芯遮蔽線建立的電磁仿真模型，

完成EMC時域仿真后，工程師可分析在不同時間與頻率下的電路瞬態(tài)響應(yīng)。
根據(jù)EMC測試的種類，可執(zhí)行瞬態(tài)或頻率分析。許多瞬態(tài)分析的案例可用來執(zhí)行抗擾性測試，另外頻域的案例可用在幅射性電磁放射EMC測試（參考表1）。

步驟3 運用模擬找出設(shè)計的EMC弱點
一旦全系統(tǒng)完成模型分析與仿真后，就很容易找出失效機制。EMC噪聲電壓注入到纜線遮蔽層。噪聲電壓之后會耦合到纜線遮蔽層與線芯之間的寄生電容。噪聲會傳導(dǎo)到電路板上的ACC節(jié)點，如圖6所示。


圖6 : 電路失效機制

噪聲電流會經(jīng)過最小阻抗路徑，這個案例中會經(jīng)過運算放大器輸出端的C8電容。運算放大器會飽和，將高電流抽出電源供應(yīng)器（VDD）節(jié)點。IC1 VDD調(diào)節(jié)器無法供應(yīng)這么高的電流; 因此VDD電壓會下降。VDD 電壓降會暫時關(guān)閉MEMS傳感器（以5V額定電壓供電），導(dǎo)致運算放大器輸出端（噪聲）出現(xiàn)電壓漣波。
第二個失效模式也可找到，這個模式若是只用實驗室測試法就很難甚至根本不可能觀察到以及進行除錯。高頻傳輸線通常會用一個負載作為終端電阻，該負載的阻抗必須匹配傳輸線的阻抗。IEPE纜線由于屬于低頻率（kilohertz）數(shù)據(jù)通訊，因此通常沒有終端接頭。然而當(dāng)注入60 MHz到70 MHz范圍的噪聲，由于纜線沒有用匹配負載接上終端接頭，因此噪聲電壓會在通訊總線上出現(xiàn)反射。

步驟4 使用模擬為設(shè)計找出改進EMC的潛力

目標(biāo)是判斷成本最小且最有效的電路變更方式來抑制EMC問題。如圖7所示，只須加入兩個電容就能解決兩項EMC問題。22 nF CEMC 會將噪聲帶離敏感線路（運算放大器、MEMS），噪聲電流現(xiàn)在會透過圖中所示的C1電容分流到接地端。鐵氧體磁珠（ferrite bead）在100 MHz頻率下有高阻抗，可加入到電路中作為額外的確保，用來阻隔任何殘除的噪聲。CTERM則會在EMC測試時將高頻率狀態(tài)的纜線反射訊號分流出去。


 
圖7 : 改進EMC性能的設(shè)計

如步驟3所述，VDD 電源網(wǎng)絡(luò)失效是反映EMC耐受性的一項可靠指標(biāo)。圖8顯示VDD電源網(wǎng)絡(luò)的電壓降，這里沒有使用CEMC。模擬結(jié)果預(yù)測約2V或更大的壓降。當(dāng)使用CEMC時，偏離額定值的幅度為微伏范圍，遠低于1.6 mV目標(biāo)兼容門坎。



 
圖8 : 仿真VDD電路網(wǎng)絡(luò)，包括使用 CEMC 電容（上方綠色波形）與沒有使用 CEMC （下方藍色波形曲線）的狀況

Analog Devices的ADXL1002 MEMS傳感器在11 kHz下具有3 db帶寬，因此選擇CEMC與CTERM變得很重要，選擇正確才能維護11 kHz通訊總線。利用虛擬實驗室的彈性，除了可仿真多種電容值，還能挑選出兩個最佳電容值。在加入這些電容后，系統(tǒng)會預(yù)測出低于1.6 mV噪聲電壓時通過EMC標(biāo)準(zhǔn)測試的能力。

步驟5 在實際實驗室中驗證設(shè)計以改進EMC性能

如圖4所示的原始電路使用表2的參數(shù)在實驗室進行測試。結(jié)果在77 MHz測試頻率下出現(xiàn)912 mV噪聲的失敗狀況。經(jīng)過步驟4的建議，加入一個22 nF 電容（CEMC）與R3電阻并聯(lián)。結(jié)果得到99%的改進幅度，量測到的噪聲低于6 mV，如圖9所示的實驗室測試結(jié)果（藍色波形）。
為達到低于1.6 mV噪聲的設(shè)計目標(biāo)，在ACC與GND節(jié)點之間加入一個100 nF CTERM電容，以及22 nF的CEMC電容。圖9顯示綠色仿真結(jié)果，噪聲曲線在0.15 MHz到80 MHz頻譜區(qū)間呈現(xiàn)平坦走勢。


 
圖9 : 依循虛擬實驗室的建議進行模擬與實驗室測試的結(jié)果

在達成結(jié)果與目標(biāo)后，就可以判斷系統(tǒng)哪個部分是EMC的弱點。在這個案例中，纜線是主要成因，因為纜線會將EMC能量從來源端耦合到電路，加上因纜線的長度以及較高頻率下的終端阻抗造成的訊號反射。
兩個電容（CTERM與CEMC）能將兩個噪聲源有效分流到接地端。替代的解決方案與方法，像是更換運算放大器，都是不實際的作法。把運算放大器換成超低輸出阻抗的運算放大器則是不理想的選擇，因為輸出阻抗較低的組件天生高耗電，從而影響整體設(shè)計的競爭力。

總結(jié)
全系統(tǒng)仿真帶來前所未有的洞察力，讓業(yè)者掌握在EMC壓力下電路的行為及解決各種復(fù)雜EMC問題的最佳辦法。使用這種方法可大幅縮短產(chǎn)品的上市時程。運用本文介紹的制程流程，如圖10所示，可以讓設(shè)計的EMC性能獲得超過99%幅度的改進。


 
圖10 : 制程流程，讓EMC性能獲得超過99%幅度的改進。

（本文作者Ricardo Zaplana、Richard Anslow為ADI工程師）