Para los ingenieros de diseño, existen múltiples herramientas automatizadas alternativas de EMI/EMC, incluyendo comprobadores de reglas de diseño que examinan si las PCB (placas de circuito impreso) son capaces de cumplir reglas de diseño predeterminadas, simuladores cuasiestáticos que pueden utilizarse para extraer parámetros de inductancia, capacitancia y resistencia cuando las dimensiones de los componentes son mucho menores que la longitud de onda de operación, calculadoras rápidas que se usan para calcular aplicaciones simples mediante computadoras basadas en ecuaciones analíticas y técnicas de simulación numérica de onda completa. Estas herramientas automatizadas pueden aplicarse para resolver diferentes problemas de EMI/EMC en distintas etapas de diseño. Sin embargo, ninguna herramienta automatizada es capaz de analizar el diseño global y predecir con precisión los problemas que se presentarán en el sistema.
El diseño de PCB es tan complicado que en él intervienen numerosas capas y trazas. Para los ingenieros, resulta bastante difícil y aburrido comprobar manualmente el ruteo de cada red clave de EMI/EMC. Las herramientas automatizadas son capaces de extraer el diseño de PCB a partir de archivos CAD y de informar a los usuarios sobre las posiciones que violan las reglas de diseño. En términos generales, estos programas permiten a los usuarios predeterminar reglas de diseño como condiciones limitantes e incluso crear nuevas reglas en función de las tecnologías de PCB y de la velocidad disponibles.
Los verificadores de reglas de PCB pueden aplicarse repetidamente durante el período de diseño de la PCB con el fin de garantizar que el diseño no viole reglas importantes de EMC. Si la PCB solo se examina en la etapa final del diseño, la modificación de acuerdo con las reglas posiblemente tomará mucho tiempo e incluso puede no llegar a implementarse. El examen del diseño de la PCB durante el período de diseño evita modificaciones a gran escala basadas en las reglas de EMC posteriormente.
Regla de diseño de PCBEl verificador funciona a una velocidad muy alta y examina las reglas de diseño de cada PCB. Sin embargo, estas herramientas simplemente proporcionan algunas pistas para los usuarios y no ofrecen instrucciones de acuerdo con el orden de gravedad en cuanto a la violación de las reglas. Algunas herramientas de comprobación de software de PCB recientemente presentadas son capaces de asociar los fenómenos de violación de reglas y reflejar la información sobre la tasa de datos de las señales y el grado de incumplimiento de las reglas, lo cual es beneficioso para que los diseñadores eliminen ocurrencias específicas de violaciones de reglas.
Las herramientas de simulación se aplican para analizar con precisión una pequeña parte del sistema global. Por muy buenas que sean las capturas de pantalla que proporcionen los proveedores, las herramientas actuales de modelado EMI/EMC no pueden “hacer todo el trabajo”, ya que el modelado no puede sustituir a los ingenieros de software y es solo una de las herramientas utilizadas por los ingenieros de EMI/EMC. Se requiere que los ingenieros de EMI/EMC determinen qué parte del diseño necesita un análisis y modelado anticipados.
En términos generales, es necesario establecer un modelo multinivel sobre problemas aún no resueltos, y el resultado de simulación del modelo en el último nivel proporciona la información de entrada para el modelo en el siguiente nivel. Este método optimiza el modelo al procesar por separado el problema específico en cada parte e integrar los resultados. Por lo tanto, en comparación con el modelado realizado de una sola vez, que es demasiado “forzado”, la simulación multinivel es capaz de analizar problemas de mayor escala. Además, los ingenieros de EMI/EMC necesitan comprender mejor el problema y la tecnología de modelado para poder identificar más puntos de división para la simulación multinivel.
a. Simuladores cuasiestáticos
Los simuladores cuasiestáticos se aplican para extraer parámetros de inductancia, capacitancia y resistencia de los componentes del sistema, como los parámetros eléctricos del conector. Sin embargo, la dimensión de los componentes debe ser mucho menor que la longitud de onda de la onda armónica con la frecuencia más alta. Este tipo de herramientas es capaz de calcular rápidamente los parámetros del circuito equivalente y los parámetros pueden aplicarse ensimuladores de circuitoscomo SPICE. Una de las condiciones en términos de la implementación de la condición cuasiestática radica en el requisito de que el objeto de modelado tenga un tamaño eléctrico pequeño. Este tipo de simulación consiste en el acoplamiento de campo eléctrico y magnético sin retardo de transmisión de ondas, lo cual se debe a que el objeto de modelado tiene un tamaño eléctrico tan pequeño que no llega a causar retardo en el acoplamiento entre el campo eléctrico y el campo magnético. Si los componentes no cumplen el requisito de tamaño pequeño, debe aplicarse el método de modelado de onda completa.
b. Herramientas de simulación de onda completa
A diferencia de los simuladores cuasiestáticos, las herramientas de simulación de onda completa no requieren que los componentes tengan un tamaño eléctrico pequeño. En su lugar, las ecuaciones de Maxwell se resuelven completamente sin simplificaciones y existen numerosos tipos y estilos disponibles para la tecnología de modelado electromagnético de onda completa. Como la mejor tecnología de simulación, las herramientas de simulación de onda completa se han convertido en las herramientas de simulación más utilizadas por desarrolladores y educadores, aunque también son las que más controversia generan. Gran parte de la tecnología de simulación de onda completa solo se aplica a estructuras específicas y la modificación del método de cálculo para distintos problemas es muy complicada. Algunas tecnologías de simulación de onda completa no se aplican de forma general, y requieren un conocimiento profundo tanto de electromagnetismo como de tecnología de modelado. Además, algunas solo se aplican al campo lejano, como en la determinación de la sección radar de un dispositivo militar.
Las diferentes tecnologías de simulación de onda completa presentan ventajas en distintos aspectos, y la mejor tecnología de modelado consiste en encontrar el requisito de simulación específico que sea adecuado para un determinado problema. Las tecnologías de modelado de simulación de onda completa más extendidas en EMI/EMC incluyen el método de los momentos (MoM), la tecnología de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), el método de elementos finitos (FEM), la matriz de líneas de transmisión (TLM) y la tecnología de circuito equivalente de elementos parciales (PEEC). Estas diferentes tecnologías de simulación de onda completa son en realidad distintas manifestaciones de las ecuaciones de Maxwell. Por ejemplo, el MoM aplica la ecuación integral de las ecuaciones de Maxwell. Es necesario dividir los conductores/metales en unidades con tamaños eléctricos pequeños (se supone que la corriente en cada tramo del conductor es constante). La corriente y todas las corrientes en las demás unidades de los componentes pueden calcularse a través de la fuente. Una vez que se obtiene la corriente en todas las unidades del conductor, finalmente se puede calcular el campo eléctrico y/o el campo magnético global generado.
•FDTDLa forma diferencial en las ecuaciones de Maxwell se aplica en FDTD con el medio adyacente siendo aire, y el modelado común se realiza con la combinación de metal y dieléctrico. El espacio compatible con los objetos de simulación se divide en elementos de volumen con tamaño eléctrico pequeño. Cada elemento de volumen se define por la constante dieléctrica (ε), la permeabilidad magnética (μ) y la conductividad (δ). Como indica el nombre, FDTD se aplica principalmente en el dominio del tiempo, por lo que el modelo es capaz de recibir una respuesta de banda ancha con un pulso como función de excitación. Después de la simulación FDTD, la solución en el dominio del tiempo puede transformarse en una solución en el dominio de la frecuencia.
•FEMEs otro tipo de forma en las ecuaciones de Maxwell, cuya aplicación típica es la solución en frecuencia. De manera similar, el aire en el modelo y todos los demás materiales deben dividirse en unidades con tamaños eléctricos pequeños. La tecnología variacional es aplicada por el FEM para resolver las ecuaciones de Maxwell.
•TLMComo otra forma de las ecuaciones de Maxwell, la aplicación típica radica en la solución en el dominio del tiempo. Básicamente, el área espacial de los objetos de modelado se divide en múltiples nodos de línea de transmisión 3D, en cada uno de los cuales la transmisión/reflexión puede inferirse mediante la impedancia del nodo. Cada unidad es compatible con un nodo.
•PEECEsta tecnología es el método de onda completa más reciente en el campo de EMI/EMC, con forma integral en las ecuaciones de Maxwell, en el cual todas las relaciones entre campos unitarios se sustituyen por relaciones de circuito. Las conexiones entre todas las unidades se implementan mediante inductancias y capacitancias mutuas locales. Se aplican solucionadores como SPICE para simular los circuitos completos y los parámetros de corriente y voltaje resultantes se transforman en campos como en el MoM.
Hasta ahora, las herramientas de simulación se han vuelto tan potentes que los ingenieros tienen que depender de ellas. Sin embargo, no pueden sustituir la comprensión básica que tienen los ingenieros sobre el electromagnetismo y el diseño EMI/EMC. Para las simulaciones primarias, se sugiere que los ingenieros novatos reciban alguna formación y consulten materiales de aprendizaje para dominar cómo dividir el producto/dispositivo completo en múltiples módulos de simulación y cómo explicar el resultado de la simulación. Finalmente, deben aprender a verificar si los resultados de la simulación pueden reflejar correctamente los objetos modelados y garantizar la compatibilidad con las teorías físicas básicas.
