CST Studio Suite – высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.
Извлечение индуктивности, емкости и сопротивления из электромагнитного моделирования
В данной статье мы рассмотрим концепцию петли и частичной индуктивности, а также то, как извлечь модели RLC из электромагнитного моделирования. Рассмотрим как новый решатель pRLC в CST Studio Suite улучшает моделирование частичных моделей RLC. Наконец, используем модель корпуса с соединительными проводами, чтобы продемонстрировать наиболее важные результаты.
Идея извлечения эквивалентных моделей из полевых симуляций, вероятно, так же стара, как и сама симуляция электромагнитного поля. Объединение свойств физической структуры в упрощенную модель, адекватно описывающую ее поведение, позволяет использовать такие модели для дальнейшей обработки, например, при моделировании системы или схемы (SPICE). Типичными примерами в мире электроники являются: шина, соединяющая мощные компоненты, сигнальная трасса на печатной плате, длинное переходное отверстие в высокоскоростном канале или соединительный провод в корпусе. Очевидно, что очень естественным описанием для каждого инженера-электрика является использование сетей с сосредоточенными элементами, построенных из сопротивления, индуктивности и емкости (RLC). Этот подход хорошо работает до тех пор, пока размер структуры меньше одной десятой наименьшей интересующей длины волны.
В приложениях электромагнитной совместимости (ЭМС) и автоматизации проектирования электроники (EDA) индуктивность структуры представляет особый интерес, поскольку на частотах выше диапазона кГц она становится определяющим фактором для общего импеданса. Большинство инженеров-электриков также сразу же подумают о звоне сигнала, когда услышат термин «индуктивность». Таким образом, сегодняшний пост начнется с более подробного рассмотрения расчета индуктивности на основе моделирования электромагнитного поля.
Традиционно индуктивность определяется как магнитный поток через поверхность S, окруженную линейным током 𝐼. Поскольку магнитный поток можно рассчитать по B путем интегрирования по поверхности, мы получаем:
Это так называемая индуктивность контура, поскольку для определения поверхности всегда требуется замкнутый контур. Оценить индуктивность замкнутого контура с помощью полноволнового решателя очень просто. Определите токопроводящую петлю, закрытую портом S-параметров. Преобразуйте S-параметр в Z-параметр или непосредственно в индуктивность, используя постобработку на основе шаблона в CST Studio Suite. Такими же шагами можно рассчитать и сопротивление контура. Индуктивность контура тесно связана с физическим поведением системы, поскольку ток всегда течет по контуру. Однако это не обязательно самый важный результат для разработчика электроники.
В современных электронных системах полная токовая петля может быть геометрически довольно сложной, протекающей по нескольким печатным платам, кабелям и разъемам. Разработчика часто интересует, какой вклад в общую индуктивность вносит конкретный участок токовой петли. Это отправная точка для концепции частичной индуктивности. Если мы хотим рассчитать вклад только от части тока — например, только от нижней части прямоугольника на рисунке выше — мы не можем использовать приведенную выше формулу, поскольку больше нет замкнутого контура. Вместо того, чтобы вычислять такие величины поля, как B, нам нужно пойти в обход и вычислить подходящим образом выбранную величину.
векторный потенциал A, который связан с магнитным полем соотношением 𝑩 = 𝛻 × 𝑨. Я не буду вдаваться в подробности расчета, так как он включает в себя некоторую сложную теорию поля, но главное, что этот расчет не может быть выполнен «стандартным» полноволновым решателем, и для этого нам нужен специализированный решатель.
Традиционно для расчета частичной индуктивности используется численный метод, называемый PEEC (метод эквивалентной схемы с частичным элементом). Этот метод тесно связан с методом моментов (МОМ) и уже много лет используется для расчета парциальных величин. Однако у этого подхода есть определенные недостатки: он требует специальной сетки, которую сложно применить к сложным CAD-структурам. Он также имеет некоторые проблемы с магнитными свойствами материала и плохо масштабируется с количеством элементов сетки.
Поэтому мы в SIMULIA решили переосмыслить частичное извлечение с нуля, используя другой подход, который не страдает от вышеупомянутых трудностей. Решатель pRLC в CST Studio Suite основан на методе конечных элементов (FEM), который за последние годы зарекомендовал себя как эффективный выбор для многих приложений. Наш решатель может работать с произвольной геометрией и даже может использовать криволинейные элементы сетки. Он очень эффективно масштабируется, что позволяет нам сразу же использовать его даже для сложных импортированных CAD-геометрий. Он может работать с материалами с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой проницаемостью и может решать от постоянного тока до полной волны без приближений. Извлеченные значения RLC отображаются в дереве результатов CST Studio Suite для непосредственного чтения или могут быть экспортированы в виде файлов SPICE. Возможен как одночастотный, так и широкополосный экспорт.
Основной областью применения частичного извлечения RLC обычно являются структуры, намного меньшие, чем длина волны: это могут быть шины в приложениях силовой электроники, где интересующая частота находится в диапазоне МГц, или соединительные провода в корпусе, где частота может быть даже несколько ГГц. но длина таких соединительных проводов довольно мала. Извлечение удобочитаемых значений RLC является очень важным преимуществом подхода pRLC и помогает понять поведение структуры. Это лучше всего работает для моделей с небольшим количеством компонентов, поскольку чтение и интерпретация системы с большим количеством элементов становится все более сложной. Для моделирования на системном уровне, где требуется модель типа черного ящика, я обычно рекомендую использовать полноволновый решатель и S-параметры. При необходимости S-параметры можно преобразовать в модель SPICE с помощью подбора векторов.
В приведенном ниже примере мы рассмотрим извлечение индуктивности соединительного провода корпуса с разветвленной трассой. Пакет был разработан с использованием современного программного обеспечения для проектирования пакетов. Проект был импортирован непосредственно в CST Studio Suite с использованием мощного встроенного интерфейса импорта, который дополнительно позволяет пользователям выбирать цепи и секции пакета для импорта. Для лучшего понимания я раскрасил модель: интересующая сеть B_DQ_14 окрашена в синий цвет, VCC — в красный, а GND — в зеленый. Подложки включены в моделирование, но они скрыты на рисунке ниже.
Для частичной индуктивности довольно просто определить маршрут из точки А в точку В как индуктивность соединения пакета. Однако для индуктивности контура существует несколько возможностей замыкания контура тока, которые зависят от фактической разводки внутри микросхемы. Если мы хотим отделить свойства корпуса от фактического чипа, это возможно только путем частичного извлечения. Тем не менее, стоит взглянуть на результаты и сравнить частичную индуктивность, индуктивность контура, рассчитанную с использованием частичного подхода, и индуктивность контура, рассчитанную с помощью двухполупериодного решателя. В демонстрационных целях я выбрал соединительный провод C и D. Чтобы замкнуть контур, я добавляю металлические соединения от B к C и от B к D соответственно.
Моделирование занимает около 7 минут для частичного решателя RLC и 15 минут для полноволнового решателя на ноутбуке, оснащенном процессором Intel i7-7820HQ. Индуктивность для различных случаев представлена на рисунке выше. Мы можем наблюдать типичное поведение: Ниже 100 кГц значение индуктивности самое высокое, эту область часто называют индуктивностью постоянного тока. Около 1 МГц она уменьшается из-за скин-эффекта, а около 100 МГц мы имеем так называемую индуктивность переменного тока. Во многих случаях эти две области гораздо более плоские, чем в нашем примере. В нашем примере диапазон перехода от постоянного тока к переменному очень широк из-за малых размеров проводника в нашей модели корпуса. Около 1 ГГц мы можем наблюдать увеличение значений. Это частота, при которой электрическая длина контура по сравнению с длиной волны составляет около 𝜆/10, и мы больше не можем использовать одно значение индуктивности для точного описания электрических свойств контура. Частичная индуктивность AB выше, чем индуктивность контура ABCA и ABDA. Это общий вывод, потому что при включении полного контура обратный ток уменьшает результирующую индуктивность.
Для расчета сопротивления можно использовать точно такой же подход, как и для индуктивности. Однако для емкости нам нужно решить еще один шаг, который очень похож на электростатическое моделирование. Концепция частичной емкости может сбивать с толку, поскольку отсутствует физическая интерпретация. Емкость является свойством проводящих тел, поэтому два проводящих тела будут описываться одним значением емкости (без учета собственной емкости). Однако если на одном проводнике определено несколько узлов, что необходимо для расчета частичной индуктивности, то емкость проводящего тела необходимо распределить между этими узлами, чтобы создать согласованную модель, например, для экспорта SPICE. Это идея, лежащая в основе концепции частичной емкости.
В этом сообщении блога я попытался объяснить некоторые основные идеи, лежащие в основе извлечения значений RLC с помощью электромагнитного моделирования. Ключевые моменты, которые следует помнить:
- Отдельные значения RLC можно использовать для описания свойств электрически малых структур.
- Физически важна индуктивность контура, но извлечение парциальной индуктивности может быть очень полезным для разработчиков электроники, поскольку оно позволяет оценить вклад отдельных секций структуры.
- Индуктивность, зависящая от частоты, имеет две области, обычно называемые индуктивностью постоянного и переменного тока.
- Концепция частичной емкости используется для распределения емкости между несколькими узлами на одном проводящем теле.
#CST Studio Suite #наука #наука и образование #наука и техника #электромагнитное моделирование #cst
