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產業觀察 | 電磁合規性:如何摒棄電波暗室的(de)昂貴成本?

電波暗室 Anechoic Chambers

如果沒有獲得(de) CE 或 FCC (或同等) 認證,就不能銷售電子產品。而對於醫療器械和(hé)航太來說,認證的(de)要求會更加嚴格。這些要求不僅適用(yòng)於筆記型電腦或汽車 ECU (電子控制單元) 等顯而易見的(de)電子產品,也(yě)適用(yòng)於洗衣機和(hé)烘乾機等家庭用(yòng)品。此外,這並不是某種「最好擁有」的(de)認證,而是「必不可(kě)少」 —— 如果產品沒有通(tōng)過認證,將不能上市銷售。

產品認證主要在兩個方面需要測量,分(fēn)別為電磁耐受性和(hé)輻射。輻射意味著設備不會發出高(gāo)於相應臨界值的(de)電磁輻射。電磁耐受性意味著即使在給定的(de)電磁雜訊水(shuǐ)準下(xià),該設備也(yě)能正常工作。例如,汽車中 ECU 的(de)輻射不得(de)超過某個臨界值;同時,如果有人(rén)在車上打開筆記型電腦,或者幾個人(rén)都使用(yòng)手機,那麼 ECU 也(yě)必須能正常工作。

通(tōng)常,這些測試在電波暗室 (Anechoic Chamber) 中進行。「無回聲」(即「Anechoic」) 一詞在音(yīn)訊領域中是指被吸音(yīn)擋闆包圍的(de)房(fáng)間。如果我們在消音(yīn)室中進行聲音(yīn)錄製,那麼因為沒有耳機,我們的(de)聲音(yīn)聽起來將並不正常。但是,同樣的(de)方法可(kě)用(yòng)來吸收電磁輻射。因此,要測試一個設備,可(kě)以將其放在一個電波暗室裡:一個標準的(de)測試是用(yòng)天線在 3 米外進行測量。例如,上圖中是一架無人(rén)機在電波暗室中接受測試。

這樣的(de)物(wù)理(lǐ)測試非常昂貴,主要因其需要建立產品原型。而測試失敗則會導緻非常高(gāo)昂的(de)成本,因為原型需要重新設計並建造,然後進行重複測試。例如,創建並測試一個汽車 ECU 顯然需要 10-12 個月(yuè)的(de)時間。這不僅關係到成本,還關係到上市時間。這就要求用(yòng)模擬代替物(wù)理(lǐ)原型進行測試。但是具有舊架構的(de)傳統工具擴展性差,並且需要多(duō)台配有 TB 級記憶體的(de)電腦,因此同樣需要昂貴的(de)專用(yòng)硬體。

輻射和(hé)電磁耐受性是最重要的(de)參數,但還有其他(tā)參數需要考量。例如,手機的(de)輻射方式不能讓過多(duō)的(de)輻射穿透人(rén)體頭部。另一方面,心臟節律器 (heart pacemakers) 是無線程式設計的(de),當它們在人(rén)體胸腔內時,需要準確無誤地工作。天線的(de)放置會影(yǐng)響智慧手機等設備的(de)工作效率;十幾年前 iPhone 4 的(de)「天線門(Antennagate)」事件就是由於天線設計不當,導緻當緊握 iPhone 4 邊緣時,信號便迅速衰減了(le)。

Clarity 3D Transient Solver

Clarity 3D Transient Solver 可(kě)以在軟體中完成在電波暗室環境中的(de)大(dà)部分(fēn)操作。儘管最終的(de)合規性可(kě)能仍需要在電波暗室中進行測試,但使用(yòng) Clarity 3D Transient Solver 意味著早期的(de)測試,尤其是需要任何重新設計的(de)測試,可(kě)以完全在伺服器上完成。同時,這些早期測試可(kě)在雲中完成 —— 透過 Cadence CloudBurst™ 平臺,不需要進行任何 IT 設置,就可(kě)以 100% 基於網路完成測試。

Clarity 3D Transient Solver 運用(yòng)了(le)大(dà)規模平行、多(duō)執行緒 (multi-threaded) 和(hé)分(fēn)散式的(de)運算(suàn)架構,該架構允許求解器在數百個針對雲和(hé)內部分(fēn)散式運算(suàn)優化(huà)的(de) CPU 上運行。隨著計算(suàn)資源的(de)增加,它具有幾乎無限的(de)容量和(hé)接近線性的(de)擴展性。與物(wù)理(lǐ)測試測量相比,沒有任何精度損失。並且針對整個系統進行測量:ECU、手機、無人(rén)機,甚至整個汽車,或者體內的(de)心臟節律器。該工具從所有標準晶片、IC 封裝和(hé) PCB 平臺讀取設計資料,並提供與 Cadence 實施平臺的(de)獨特整合。

一個典型應用(yòng)就是上文提到的(de) 3 米電磁輻射測試。Clarity 3D Transient Solver 可(kě)用(yòng)於模擬建模電波暗室、正在測試的(de)系統和(hé) 3 米外的(de)天線。然後,使用(yòng)時域有限差分(fēn) (FDTD) 方法計算(suàn)出合規性所需的(de)所有值。由於這是一種時域方法,FDTD 解決方案可(kě)以在一次模擬運行中覆蓋非常寬的(de)頻率範圍。

Clarity 3D Transient Solver 將在 2021 年第一季度正式推出。

汽車 ECU 開發的(de)成功經驗

上文提到開發一個汽車 ECU 需要 10-12 個月(yuè)。在日本,由一級供應商分(fēn)包的(de)汽車 ECU 的(de)主要開發商之一是 UTI (Ultimate Technologies Incorporated)。他(tā)們一直在使用(yòng) Clarity 3D Transient Solver 工具並因此節省了(le)三個月(yuè) (30%) 的(de)設計週期。UTI 首席執行官 Satoshi Utsumi 對此表示:

「作為一流的(de)工程服務提供者,Ultimate Technologies 專注於快(kuài)速、高(gāo)效和(hé)首次即正確的(de)設計。Cadence 的(de) Clarity 3D Transient Solver 讓我們能以測試測量精度進行模擬,並以此預測 EMI 測試期間將要測量的(de)內容,從而確保我們的(de)客戶在第一次接受 EMI 合規性檢查時就能通(tōng)過,同時大(dà)幅度減少原型設計的(de)數量。這使我們能夠將汽車 ECU 的(de)設計週期縮短長達三個月(yuè),將設計週期時間減少 30%。借助 Clarity 3D 技術,我們可(kě)以快(kuài)速反覆運算(suàn)並提高(gāo)設計品質,同時滿足客戶的(de)時間安排需求。」

譯文授權轉載出處

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