Pour les ingénieurs concepteurs, il existe plusieurs outils automatisés alternatifs pour l’EMI/EMC, notamment les vérificateurs de règles de conception qui examinent si les PCB (circuits imprimés) sont capables de respecter des règles de conception prédéfinies, les simulateurs quasi-statiques qui peuvent être utilisés pour extraire les paramètres d’inductance, de capacité et de résistance lorsque les dimensions des composants sont très inférieures à la longueur d’onde de fonctionnement, les calculateurs rapides qui servent à calculer des applications simples sur ordinateur à partir d’équations analytiques, ainsi que les techniques de simulation numérique en régime complet d’onde. Ces outils automatisés peuvent être appliqués pour résoudre différents problèmes d’EMI/EMC à différentes étapes de la conception. Cependant, aucun outil automatisé n’est capable d’analyser la conception globale et de prédire avec précision les problèmes qui surviendront au niveau du système.
La conception de circuits imprimés est si complexe qu’elle implique de nombreuses couches et de nombreuses pistes. Pour les ingénieurs, il est assez difficile et ennuyeux de vérifier manuellement le routage de chaque réseau clé en EMI/EMC. Les outils automatisés sont capables d’extraire la conception du PCB à partir des fichiers CAO et de signaler aux utilisateurs les emplacements qui enfreignent les règles de conception. De manière générale, ces logiciels permettent aux utilisateurs de prédéfinir des règles de conception comme conditions limitatives et peuvent même créer de nouvelles règles en fonction des technologies PCB disponibles et de la vitesse.
Les vérificateurs de règles de circuits imprimés peuvent être appliqués de manière répétée pendant la phase de conception du PCB afin de garantir que la conception ne viole pas d’importantes règles CEM. Si le PCB n’est examiné qu’à l’étape finale de la conception, les modifications conformes aux règles peuvent prendre beaucoup de temps et même ne pas pouvoir être mises en œuvre. L’examen de la conception du PCB au cours de la phase de conception permet d’éviter des modifications de grande ampleur fondées sur les règles CEM par la suite.
Règle de conception de PCBle vérificateur fonctionne à une vitesse très élevée et examine les règles de conception de chaque PCB. Néanmoins, ces outils ne font que fournir quelques indications aux utilisateurs et ne parviennent pas à donner des instructions en fonction de l’ordre de gravité des violations de règles. Certains outils de vérification de logiciels de PCB récemment apparus sont capables d’associer les phénomènes de violation de règles et de refléter les informations concernant le débit des signaux et le degré de violation des règles, ce qui est bénéfique pour les concepteurs afin d’éliminer des occurrences spécifiques de violation de règles.
Les outils de simulation sont utilisés pour analyser avec précision une petite partie du système global. Peu importe la qualité des captures d’écran fournies par les fournisseurs, les outils de modélisation CEM/EMI actuels ne parviennent pas à « tout faire », car la modélisation ne peut pas remplacer les ingénieurs logiciels et elle n’est qu’un des outils utilisés par les ingénieurs CEM/EMI. Il revient aux ingénieurs CEM/EMI de déterminer quelle partie de la conception nécessite une analyse et une modélisation préalables.
D’une manière générale, il est nécessaire d’établir un modèle multi-niveaux sur les problèmes non résolus, et le résultat de simulation du modèle au niveau précédent fournit les informations d’entrée au modèle du niveau suivant. Cette méthode permet d’optimiser le modèle en traitant séparément la question spécifique de chaque partie et en intégrant les résultats. Par conséquent, comparée à une modélisation réalisée en une seule fois, trop « forcée », la simulation multi-niveaux est capable d’analyser des problèmes de plus grande envergure. En outre, les ingénieurs EMI/EMC doivent mieux comprendre le problème et la technologie de modélisation afin d’identifier davantage de points de découpage pour la simulation multi-niveaux.
a. Simulateurs quasi statiques
Les simulateurs quasi-statiques sont appliqués pour extraire les paramètres d’inductance, de capacité et de résistance des composants du système, tels que les paramètres électriques du connecteur. Cependant, la dimension des composants doit être bien inférieure à la longueur d’onde de l’onde harmonique de fréquence la plus élevée. Ce type d’outils est capable de calculer rapidement les paramètres du circuit équivalent et les paramètres peuvent être appliqués danssimulateurs de circuitscomme SPICE. L’une des conditions, en termes de mise en œuvre de la condition quasi-statique, réside dans l’exigence que l’objet modélisé ait une petite taille électrique. Ce type de simulation comprend le champ électrique et le couplage magnétique sans délai de transmission des ondes, car l’objet modélisé a une taille électrique si petite qu’il ne provoque aucun retard dans le couplage entre le champ électrique et le champ magnétique. Si les composants ne satisfont pas à l’exigence de petite taille, il est nécessaire d’appliquer une méthode de modélisation en ondes complètes.
b. Outils de simulation en onde complète
Contrairement aux simulateurs quasi-statiques, les outils de simulation en ondes complètes n’imposent aucune exigence de petite taille électrique pour les composants. Au lieu de cela, les équations de Maxwell sont entièrement résolues sans simplification, et de nombreux types de méthodes sont disponibles pour la modélisation électromagnétique en ondes complètes. En tant que meilleure technologie de simulation, les outils de simulation en ondes complètes sont devenus les outils de simulation les plus couramment utilisés par les développeurs et les enseignants, tout en étant également ceux qui suscitent le plus de controverses. De nombreuses technologies de simulation en ondes complètes ne sont appliquées qu’à des structures spécifiques, et la modification des méthodes de calcul pour différents problèmes est très complexe. Certaines technologies de simulation en ondes complètes ne sont pas d’application générale et exigent une compréhension approfondie des connaissances électromagnétiques et des techniques de modélisation. De plus, certaines ne sont utilisées que pour le champ lointain, comme la détermination de la section radar d’un dispositif militaire.
Les différentes technologies de simulation en régime complet présentent des avantages dans différents domaines, et la meilleure technologie de modélisation consiste à trouver l’exigence de simulation spécifique qui convient à un certain problème. Les technologies de modélisation de simulation en régime complet les plus répandues pour l’EMI/EMC comprennent la méthode des moments (MoM), la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), la méthode des éléments finis (FEM), la matrice de lignes de transmission (TLM) et la méthode du circuit équivalent à éléments partiels (PEEC). Ces différentes technologies de simulation en régime complet sont en réalité différentes manifestations des équations de Maxwell. Par exemple, la MoM applique l’équation intégrale des équations de Maxwell. Les conducteurs/métaux doivent être découpés en éléments de petite taille électrique (le courant sur chaque segment de conducteur est supposé constant). Le courant et tous les courants sur les autres éléments constitutifs peuvent être calculés à partir de la source. Dès que le courant sur l’ensemble des éléments conducteurs est obtenu, le champ électrique et/ou le champ magnétique global généré peuvent finalement être calculés.
•FDTD: La forme différentielle des équations de Maxwell est appliquée en FDTD avec le milieu adjacent étant l’air, et la modélisation courante se fait avec une combinaison de métal et de diélectrique. L’espace compatible avec les objets de simulation est divisé en éléments de volume de petite taille électrique. Chaque élément de volume est défini par la constante diélectrique (ε), la perméabilité magnétique (μ) et la conductivité (δ). Comme son nom l’indique, la FDTD est principalement appliquée dans le domaine temporel, de sorte que le modèle est capable de recevoir une réponse large bande avec une impulsion comme fonction d’excitation. Après la simulation FDTD, la solution dans le domaine temporel peut être transformée en solution dans le domaine fréquentiel.
•FEM: Il s’agit d’un autre type de formulation des équations de Maxwell, dont l’application typique est la résolution en fréquence. De même, l’air dans le modèle ainsi que tous les autres matériaux doivent être divisés en éléments de petite taille électrique. La méthode des éléments finis applique la technologie variationnelle pour résoudre les équations de Maxwell.
•TLMSous une autre forme des équations de Maxwell, l’application typique réside dans la solution en domaine temporel. Fondamentalement, la zone spatiale des objets de modélisation est divisée en plusieurs nœuds de ligne de transmission 3D, sur chacun desquels la transmission/réflexion peut être déduite à partir de l’impédance du nœud. Chaque unité est compatible avec un nœud.
•PEEC: Cette technologie est la méthode en ondes complètes la plus récente dans le domaine de l’EMI/EMC, utilisant la forme intégrale des équations de Maxwell, dans laquelle toutes les relations entre champs élémentaires sont remplacées par des relations de circuit. Les connexions entre toutes les unités sont réalisées par des inductances et des capacités mutuelles locales. Des solveurs tels que SPICE sont utilisés pour simuler l’ensemble des circuits, et les paramètres de courant et de tension obtenus sont transformés en champs, comme dans la méthode des moments (MoM).
À l’heure actuelle, les outils de simulation sont devenus si puissants que les ingénieurs doivent s’y fier. Cependant, ils ne peuvent pas remplacer la compréhension fondamentale qu’ont les ingénieurs de l’électromagnétisme et de la conception EMI/EMC. Pour les simulations de base, il est recommandé aux ingénieurs débutants de suivre une formation et de consulter des supports d’apprentissage afin de maîtriser la manière de diviser un produit/appareil global en plusieurs modules de simulation et d’interpréter les résultats de simulation. Enfin, ils doivent apprendre à vérifier si les résultats de simulation reflètent correctement les objets modélisés et garantissent la compatibilité avec les théories physiques de base.
