Per i progettisti, esistono diversi strumenti EMI/EMC automatici alternativi, tra cui i design rule checker che esaminano se i PCB (printed circuit boards) sono in grado di soddisfare regole di progetto prestabilite, i simulatori quasi-statici che possono essere utilizzati per estrarre i parametri di induttanza, capacità e resistenza quando le dimensioni dei componenti sono molto più piccole della lunghezza d’onda di funzionamento, i calcolatori rapidi che vengono utilizzati per calcolare applicazioni semplici tramite computer sulla base di equazioni analitiche e le tecniche di simulazione numerica a onde complete. Questi strumenti automatici possono essere applicati per risolvere diversi problemi EMI/EMC in differenti fasi di progetto. Tuttavia, nessuno strumento automatico è in grado di analizzare l’intero progetto e prevedere con precisione i problemi che si verificheranno nel sistema.
La progettazione PCB è così complessa che coinvolge numerosi strati e linee. Per gli ingegneri è piuttosto difficile e noioso controllare manualmente il routing di ciascuna rete chiave EMI/EMC. Gli strumenti automatici sono in grado di estrarre il progetto PCB dai file CAD e segnalare agli utenti le posizioni che violano le regole di progettazione. In generale, questi strumenti software consentono agli utenti di predeterminare le regole di progettazione come condizioni limitanti e possono persino creare nuove regole in base alle tecnologie PCB disponibili e alla velocità.
I controllori delle regole PCB possono essere applicati ripetutamente durante il periodo di progettazione del PCB per garantire che il progetto non violi importanti regole EMC. Se il PCB viene esaminato solo nella fase finale di progettazione, le modifiche in conformità alle regole potrebbero richiedere molto tempo e persino non poter essere implementate. L’esame del progetto PCB durante il periodo di progettazione consente di evitare modifiche su larga scala basate sulle regole EMC in una fase successiva.
Regola di progettazione PCBil checker funziona a una velocità molto elevata ed esamina le regole di progettazione di ciascun PCB. Tuttavia, questi strumenti forniscono semplicemente alcuni suggerimenti agli utenti e non riescono a fornire indicazioni in base all’ordine di gravità delle violazioni delle regole. Alcuni strumenti di controllo software per PCB di nuova generazione sono in grado di associare i fenomeni di violazione delle regole e di riflettere le informazioni sulla velocità di trasmissione dei segnali e sul grado di violazione delle regole, il che è utile ai progettisti per eliminare specifici casi di violazione delle regole.
Gli strumenti di simulazione vengono applicati per analizzare con precisione una piccola parte dell’intero sistema. Per quanto eccellenti possano essere le schermate fornite dai fornitori, gli attuali strumenti di modellazione EMI/EMC non riescono a svolgere “tutto il lavoro”, poiché la modellazione non può sostituire gli ingegneri software ed è solo uno degli strumenti utilizzati dagli ingegneri EMI/EMC. Agli ingegneri EMI/EMC è richiesto di determinare quale parte del progetto necessita di un’analisi preventiva e di modellazione.
In generale, il modello multigrado deve essere costruito sui problemi irrisolti e il risultato di simulazione del modello al grado precedente fornisce le informazioni di input al modello del grado successivo. Questo metodo ottimizza il modello elaborando separatamente le questioni specifiche di ciascuna parte e integrando poi i risultati. Pertanto, rispetto a una modellizzazione eseguita in un’unica volta che risulta troppo “forzata”, la simulazione multigrado è in grado di analizzare problemi di scala maggiore. Inoltre, gli ingegneri EMI/EMC devono comprendere meglio il problema e la tecnologia di modellizzazione per individuare più punti di suddivisione per la simulazione multigrado.
a. Simulatori quasi statici
I simulatori quasi-statici vengono applicati per estrarre i parametri di induttanza, capacità e resistenza dei componenti del sistema, come ad esempio i parametri elettrici del connettore. Tuttavia, le dimensioni dei componenti devono essere molto inferiori alla lunghezza d’onda dell’onda armonica con la frequenza più elevata. Questo tipo di strumenti è in grado di calcolare rapidamente i parametri del circuito equivalente e i parametri possono essere applicati insimulatori di circuiticome SPICE. Una delle condizioni in termini di implementazione della condizione quasi-statica risiede nel requisito che l’oggetto da modellare debba avere una piccola dimensione elettrica. Questo tipo di simulazione comprende il campo elettrico e l’accoppiamento magnetico senza ritardo di trasmissione delle onde, poiché l’oggetto da modellare ha una dimensione elettrica così ridotta da non riuscire a causare ritardi nell’accoppiamento tra campo elettrico e campo magnetico. Se i componenti non soddisfano il requisito di piccola dimensione, è necessario applicare il metodo di modellizzazione a onde complete.
b. Strumenti di simulazione a onda intera
Diversamente dai simulatori quasi-statici, gli strumenti di simulazione full-wave non richiedono che i componenti abbiano dimensioni elettriche ridotte. Al contrario, le equazioni di Maxwell vengono risolte completamente senza semplificazioni e sono disponibili numerosi tipi di metodi per la tecnologia di modellazione elettromagnetica full-wave. In quanto migliore tecnologia di simulazione, gli strumenti di simulazione full-wave sono diventati gli strumenti di simulazione più comunemente utilizzati da sviluppatori ed educatori, pur essendo anche quelli che suscitano più discussioni. Gran parte della tecnologia di simulazione full-wave è applicata solo a strutture specifiche e la modifica dei metodi di calcolo per problemi diversi è estremamente complessa. Alcune tecnologie di simulazione full-wave non sono di uso generale e richiedono una profonda comprensione delle conoscenze elettromagnetiche e delle tecniche di modellazione. Inoltre, alcune sono applicate solo al campo lontano, come ad esempio per la determinazione della sezione radar di un dispositivo militare.
Le diverse tecnologie di simulazione a onde intere presentano vantaggi in aspetti differenti e la migliore tecnologia di modellazione consiste nel trovare il requisito di simulazione specifico che sia adatto a un determinato problema. Le tecnologie di modellazione di simulazione a onde intere più diffuse per EMI/EMC includono il metodo dei momenti (MoM), la tecnologia delle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD), il metodo degli elementi finiti (FEM), la matrice a linee di trasmissione (TLM) e la tecnologia del circuito equivalente a elementi parziali (PEEC). Queste diverse tecnologie di simulazione a onde intere sono in realtà differenti manifestazioni delle equazioni di Maxwell. Ad esempio, il MoM applica l’equazione integrale delle equazioni di Maxwell. I conduttori/metalli devono essere suddivisi in unità con piccole dimensioni elettriche (si suppone che la corrente su ciascuna sezione del conduttore sia costante). La corrente e tutte le correnti sulle altre unità componenti possono essere calcolate tramite la sorgente. Una volta ottenuta la corrente su tutte le unità di conduttore, è possibile calcolare infine il campo elettrico e/o il campo magnetico complessivo generato.
•FDTDLa forma differenziale delle equazioni di Maxwell viene applicata nell’FDTD con il mezzo adiacente costituito da aria e la modellizzazione comune avviene con la combinazione di metallo e dielettrico. Lo spazio compatibile con gli oggetti di simulazione è suddiviso in elementi di volume con piccole dimensioni elettriche. Ogni elemento di volume è definito dalla costante dielettrica (ε), dalla permeabilità magnetica (μ) e dalla conducibilità (δ). Come indica il nome, l’FDTD è applicato principalmente nel dominio del tempo, quindi il modello è in grado di ricevere una risposta a banda larga con un impulso come funzione di eccitazione. Dopo la simulazione FDTD, la soluzione nel dominio del tempo può essere trasformata in una soluzione nel dominio della frequenza.
•FEMÈ un altro tipo di forma nelle equazioni di Maxwell, la cui tipica applicazione è la soluzione in frequenza. Analogamente, l’aria nel modello e tutti gli altri materiali devono essere suddivisi in unità con piccole dimensioni elettriche. La tecnologia variazionale è applicata dal FEM per risolvere le equazioni di Maxwell.
•TLMCome un'altra forma delle equazioni di Maxwell, l'applicazione tipica risiede nella soluzione nel dominio del tempo. In pratica, l'area spaziale degli oggetti da modellare è suddivisa in più nodi di linea di trasmissione 3D, su ciascuno dei quali la trasmissione/riflessione può essere dedotta dall'impedenza del nodo. Ogni unità è compatibile con un nodo.
•PEECQuesta tecnologia è il più recente metodo a onda intera nel campo dell’EMI/EMC, basato sulla forma integrale delle equazioni di Maxwell, in cui tutte le relazioni tra campi elementari sono sostituite da relazioni circuitali. I collegamenti tra tutte le unità sono realizzati tramite mutua induttanza e capacità locali. Risolutori come SPICE vengono utilizzati per simulare i circuiti complessivi e i parametri di corrente e tensione ottenuti dalla soluzione vengono trasformati in campi come nel metodo MoM.
Fino ad ora, gli strumenti di simulazione sono diventati così potenti che gli ingegneri devono farvi affidamento. Tuttavia, essi non riescono a sostituire la comprensione di base degli ingegneri sull’elettromagnetismo e sulla progettazione EMI/EMC. Per le simulazioni di base, si consiglia ai giovani ingegneri di seguire una formazione e consultare alcuni materiali didattici per imparare come suddividere il prodotto/dispositivo complessivo in più moduli di simulazione e come interpretare i risultati della simulazione. Infine, dovrebbero imparare a verificare se i risultati della simulazione riflettono correttamente gli oggetti modellati e garantiscono la compatibilità con le teorie fisiche di base.
