電路-電磁協同仿真的案例
SIwave IcePak 協同仿真實現電子系統散熱/電磁兼容協同設計
ANSYS最新的SIwave版本中，集成了SIwave-Icepak電熱協同仿真功能，設計者在SIwave一個軟件的界面環境中，就可以同時調用SIwave 直流仿真器和Icepak 三維散熱仿真器，進行電熱耦合分析，得到PCB工作時的電流密度分布以及溫度分布結果，幫助設計者提前評估溫度變化對PCB性能的影響，預判PCB上的溫度分布熱點，以便進行散熱設計。
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仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
翻譯：上海安世亞太
前言
多年來，設計人員一直在仿真中考慮封裝寄生效應package parasitics 的影響，從使用簡單的一階模型（如理想電感+電阻）到更復雜的spice梯形網絡，最后到使用三維電磁仿真器充分提取封裝的s參數。對于封裝加PCB通道，目前最常用的方法是將封裝和電路板作為s參數或寬帶SPICE模型獨立地提取出來，并在電路仿真器中結合這兩種模型。但由于工作頻率高、信號速度快、集成器件復雜等因素，這種方法的局限性越來越大。
封裝與PCB（或封裝與電路）之間的耦合對性能有著不可忽視的影響。實現復雜封裝和PCB，或封裝和電路的仿真有幾個挑戰:電磁求解器的容量和精度，自動化，易用性，可接受的仿真時間。
PCB和封裝設計人員深知在更高層次的系統仿真中，提取其精確的設計模型是多么重要。采用三維全波電磁仿真和自動自適應網格劃分方案，可提供提取全波s參數模型所需的精度水平。然而，設計人員在嘗試使用三維電磁仿真來解決復雜的設計時面臨著一些挑戰，如圖1所示。電路板和封裝器件通常采用電子設計自動化（EDA）工具進行設計，需要引入到三維電磁仿真工具中。這些設計包括多個介質層、電源和接地層、信號層、大量過孔（與焊盤定義相關）和鍵合線。
第一個挑戰是從EDA工具中導入數據庫，但不包括應用于設計的手動修改，但要保留跟蹤、焊盤、焊線、網絡和引腳的數據庫信息。導入幾何體后，其他仿真模擬設置（例如，端口定義）需要易于使用，避免耗時的工程工作，并為非專業用戶提供可訪問性。最后，三維電磁仿真工具需要強大的網格、求解器和高性能計算功能，以將仿真時間縮短到可接受的水平，同時提供準確度。本文詳細介紹了一種用ANSYS?HFSS?3D Layout進行整合了封裝和PCB電路板的三維電磁仿真的新流程。
圖1.
展開 飽和磁性材料的DC-DC轉換器的3D EM和電路協同仿真CST
本篇文章介紹了考慮電感器部分飽和磁性材料的仿真工作流程，該材料用于開關模式電源（升壓轉換器）。此工作流程包括印刷電路板 （PCB） 和功率電感器的 3D 模型。
背景
開關模式電源（如 DC-DC 轉換器）的 3D EM 和電路協同仿真涉及 3D 模型和電路模型。3D 模型使用CST 微波工作室（CST MWS） 和組件（通常采用 SPICE 格式）與電路原理圖 CST Design Studio 內的 3D 模型連接。這種方法提供了準確的系統響應，但無法使用 SPICE 正確建模場分布。特別是，模擬只能使用 3D 電感器模型建模的電感器的磁場分布。
此外，當 DCDC 轉換器的輸出電流增加時，電感處的電流也會增加。電感處直流電流的進一步增加將導致（部分）磁飽和，并導致電感值降低。
3D EM 和 Circuit 協同仿真
協同仿真的第一步是將 PCB 的 3D 模型導入 CST MWS。元件連接使用離散端口進行建模。每個離散端口都被激發，S 參數結果在 3D 仿真后可用。圖 1 顯示了 PCB 模型和離散端口。
圖 1.具有離散端口連接的 DC-DC 轉換器的 PCB 模型
之后，R、L、C、二極管和晶體管等電路元件在原理圖中與 CST MWS 模塊連接，其中包含 PCB 寄生信息。無源電路元件的電氣行為可以使用 SPICE 模型或 Touchstone 模型來表示。對于有源電路元件，需要一個 SPICE 模型。電路元件和 CST MWS 模塊的完整連接如圖 2 所示。
圖 2.帶 MWS 模塊的 DC-DC 升壓轉換器的協同仿真電路原理圖
如前所述，為了在仿真中準確模擬功率電感的場輻射，必須考慮線圈的 3D 模型。電感器主體的材料使用德拜 1階磁散模型進行建模，靜態磁導率為 125。
展開 華東用戶專屬福利 | Ansys芯片-封裝-電路板 協同仿真線下免費研討會
當前電子產品發展迅速,電子產品的體積向輕、薄、小的方向發展,產品功能又不斷增加,電子產品對核心部分PCBA功能要求越來越復雜，體積是越來越小，從而對半導體和封裝的集成度要求越來越高，封裝工藝從單一DIE COB工藝-MCM-SIP（多DIE堆疊）日益復雜化，IC結構也由簡單功能轉向具備更多和更為復雜的功能，目前，SoC 作為系統級集成電路，能在單一硅芯片上實現信號采集、轉換、存儲、處理和I/O 等功能，將數字電路、存儲器、MPU、MCU、DSP 等集成在一塊芯片上實現一個完整系統的功能，芯片工藝也從傳統的90nm向22nm轉換，甚至14nm-7nm。電路設計難度越來越大，生產工藝也越來越復雜，對設計者來說，小型化高速多功能電子產品，以及新的生產工藝，過去設計仿真經驗面臨挑戰。面對當前產品動能化、體積小型化、信號高速化等挑戰，單一從PCB設計角度去考慮問題，已經無法解決我們當前或今后的問題，必須從具備新的系統的設計仿真分析。在這里，我們誠摯地邀請半導體、芯片設計、芯片加工、封裝設計、封裝加工、通信、高科技、電力電子、航空、航天、軌道交通、汽車行業等相關單位研發部、測試部、質量部等部門負責人、工程師或其他感興趣人員，參加Ansys芯片-封裝-電路板 協同仿真研討會，共同探討，共享技術發展。
本次培訓由上海佳研與Ansys聯合承辦，于2021年06月25日（星期五）在無錫舉行，我們將結合Ansys仿真平臺，和大家共同討論芯片-封裝-電路板協同仿真分析，包括芯片低功耗分析、高速信號及電源完整性分析、電磁兼容分析、熱仿真分析、應力分析、可靠性分析等。
展開 
先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
Anand答復說： “RaptorH桌面對當前RaptorX和HFSS用戶而言并不陌生，3D設計幾何結構和電磁場可視化解決方案使用了現有的Ansys桌面界面。”
Anand繼續說道： “S參數和電路網表模型都已提供。特別值得注意的是，該分析是在LVS之前開展的，而設計仍在進行中。”
我問道：“對于一般電磁分析，HFSS通常需要掌握大量的控制專業知識。例如，模型端口的定義和布局。在RaptorH中又該如何管理呢？”
Anand答復道： “RaptorH流程以芯片為中心的特性意味著我們需要為芯片設計人員提供一個熟悉的環境。我們不需要支持自由空間電磁、波導、天線等等，所有金屬生而平等。設計人員設置電路端口如同在實驗室中放置端口。”
我問道：“這些2.5D和3D封裝模型數據庫可能非常龐大。RaptorH工具的性能如何？”
Yorgos回答說： “RaptorH旨在為電磁分析呈現完整版圖，無需修剪數據通道，希望采樣的拓撲能夠表示完整接口。該工具能夠快速分析設計尺寸、端口和技術文件堆疊數據，以提供所需的計算資源指南。算法分析只占用總計算時間的一小部分，電磁模型生成是高度并行化的。對于極大型問題，RaptorH可利用多處理云資源，在使用多個處理器時實現出色的加速性能。”
如果您正在尋求一款2.5D/3D封裝解決方案，精確的信號和電源分配模型提取是絕對必要的，也歡迎您深入研究Ansys RaptorH解決方案的獨特功能。
來源于：ANSYS
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
我們不需要支持自由空間電磁、波導、天線等等，所有金屬生而平等。設計人員設置電路端口如同在實驗室中放置端口。”
我問道：“這些2.5D和3D封裝模型數據庫可能非常龐大。RaptorH工具的性能如何？”
Yorgos回答說： “RaptorH旨在為電磁分析呈現完整版圖，無需修剪數據通道，希望采樣的拓撲能夠表示完整接口。該工具能夠快速分析設計尺寸、端口和技術文件堆疊數據，以提供所需的計算資源指南。算法分析只占用總計算時間的一小部分，電磁模型生成是高度并行化的。對于極大型問題，RaptorH可利用多處理云資源，在使用多個處理器時實現出色的加速性能。”
如果您正在尋求一款2.5D/3D封裝解決方案，精確的信號和電源分配模型提取是絕對必要的，也歡迎您深入研究Ansys RaptorH解決方案的獨特功能。
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
Yorgos首先表示： “RLCK提取和仿真的應用空間正在迅速擴大。2.5D和3D IC的設計人員對以芯片為中心的流程非常熟悉。他們需要的建模解決方案既要求具備易用性，同時又要滿足高信號數據速率所需的精度以及這類封裝解決方案的供電問題。”
我問道：“您如何在易用性和準確性之間取得平衡？”
Yorgos答復道： “Ansys HFSS是電磁分析的黃金標準，其應用范圍從無線傳播一直延伸到PCB級信號與電源完整性仿真。上一代產品RaptorX則重點關注片上結構的寄生計算，例如螺旋電感、電源網格、芯片上MIM去耦電容器。我們已將HFSS和RaptorX整合到RaptorH中，兩種引擎集成在一起。這樣設計人員能便捷地發揮這兩種算法的優勢，該工具將最佳方法應用到模型的每個單元。”
Anand補充道： “RaptorH產品研發中有幾個不可或缺的考量因素。以芯片為中心的設計環境是這些2.5D和3D封裝的基礎，GDS-II或OASIS數據可表達設計。技術文件堆疊定義使用了代工廠提供的工藝說明，所有層和維度信息都是加密的，工藝角定義使用了與傳統芯片環境相同的定義。”
我問道：“Yorgos重點強調易用性，那么易用性對產品研發有什么影響呢？”
Anand答復說： “RaptorH桌面對當前RaptorX和HFSS用戶而言并不陌生，3D設計幾何結構和電磁場可視化解決方案使用了現有的Ansys桌面界面。”
Anand繼續說道： “S參數和電路網表模型都已提供。特別值得注意的是，該分析是在LVS之前開展的，而設計仍在進行中。”
展開 Ansys 電磁溫度雙向耦合避坑指南，解決你的 “場域協同” 難題
ANSYS集合了電磁、溫度、結構場的耦合分析，所以被廣大同學使用，那么就經常遇到耦合場的問題。
首先要明確耦合場是什么？
其實就是由于物理理論算法的原因，導致軟件不能計算電磁和溫度的協同關系，因為這是不同的理論系統，不能混為一談，所以就使軟件分為了電磁軟件，溫度場軟件將不同的領域進行相互關系合并計算的方法就是耦合場計算。
很多同學會遇到電磁和溫度場的耦合，在此強調一點，軟件之間的耦合都是結果的耦合，并非時間上的交互耦合。
單向耦合：電磁計算完畢后傳到到溫度場作為功率載荷來計算溫度結果，缺點是沒有考慮溫度會導致材料電阻率的變化。
雙向耦合：時間上交互式耦合，單向耦合后再將溫度改變的材料屬性傳遞到電磁，再進行下一次計算。
網上搜索發現很多雙向耦合，遺憾的是這些全部都不是實時的交互式耦合
雙向耦合都是結果的耦合，將電磁的結果傳遞到溫度場之后，計算完畢；溫度場返回到電磁場改變電阻率，重新計算
無論電磁分析是靜態、瞬態，都是將最后的電磁結果傳遞給溫度場，同樣，溫度場物理是穩態還是瞬態都是將最后一步的結果傳遞給電磁場，所以是結果的耦合，并非實時交互耦合。
那么怎么辦呢？找到一篇apdl命令，采用ANSYS的經典算法就能實現，感應加熱的案例，參考如下。
展開 繼電器型電磁抱閘制動控制電路
繼電器型電磁抱閘制動控制電路
電路工作原理：
啟動控制：按下按鈕SB1--接觸器吸合--電動機通電運行--松開按鈕接觸器自鎖（接觸器吸合同時電磁制動器YB線圈得電--YB產生磁場吸引銜鐵--拉動閘瓦--閘瓦與閘輪脫離電機正常運行）
制動控制：按下按鈕SB2--接觸器與閘瓦同時斷電--電機停止運行同時制動器YB拉桿下拉閘瓦緊密解除閘輪
干貨 | buck穩壓器如何降低電磁干擾和節省電路板空間
保證高效和緊湊的設計同時遵守國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 等組織提出的嚴格電磁干擾 (EMI) 要求是一項挑戰。因此，元件的選擇成為了設計過程的關鍵。與大多數設計決策一樣，在不同組件之間進行選擇幾乎總是歸結為基于您最關鍵設計目標的權衡評估。以高效及良好的熱性能著稱的buck穩壓器，通常不被視為降低電磁干擾候選項。幸運的是，您有多種選擇來降低此類穩壓器產生的EMI。幸運的是，仍然有多種措施用以減少這類穩壓器所帶來的電磁干擾。圖1為buck穩壓器的示意圖。
圖1. Buck穩壓器示意圖
電路板布局注意事項
當設計必須符合EMI要求時，除了選擇適當的無源元件值以確保功能設計之外，電路板布局應該是進行設計時需要考慮的首要因素。有兩個buck穩壓器電路板布局通用規則可將電磁干擾降至最低：
使輸入電容器和自舉電容器盡可能地靠近集成電路的VIN和GND引腳，以最大限度地減少高瞬態電流 (di/dt) 環路面積；
通過最小化開關節點的面積來最小化高瞬態電壓 (dv/dt) 節點的表面積。
集成輸入電容器
在EMI要求限制之下進行開關穩壓器的設計時，減小高瞬態電流環路的面積非常重要。在buck穩壓器中，需要從EMI的角度考慮輸入電壓對地環路。buck穩壓器通過開啟和關閉與電源的開關器件將較高的直流電壓降為較低的電壓，從而在高壓側產生MOSFET電流，如圖 2 所示。
圖2. Buck穩壓器作用下的輸入電流變化
MOSFET快速開啟和關閉，產生由輸入電容器提供的非常尖銳且幾乎不連續的電流。
展開 CFD仿真與測試協同創新,構建“仿真 + 實測”閉環
航空航天領域</strong></p><p>在燃油箱晃動仿真中，VirtualFlow的振蕩體積力模型與ECT成像技術協同工作，能夠優化防晃結構設計，滿足極端工況需求。在飛行器的飛行過程中，燃油箱的晃動會對飛行器的穩定性產生影響。積鼎科技的技術能夠有效解決這一問題，提升飛行器的性能和安全性。</p>
2026 R1 | Ansys電磁仿真專題全面上線
本次分享將結合工程案例，系統介紹 LLC 電路激勵下磁集成器件的損耗分析思路，重點覆蓋初級 Litz 線串聯繞組、次級并聯銅片繞組的損耗計算方法，以及考慮磁集成特性的磁芯損耗建模。通過電路與電磁仿真的協同分析，展示如何在設計階段更可靠地評估損耗，為效率提升、結構選型與設計決策提供依據。
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7/21 | Ansys電磁兼容方案與應用實踐更新
講師簡介：
張偉 | Ansys主任應用工程師
主題簡介：介紹Ansys EMC仿真解決方案，包括HFSS/Maxwell/SIwave/Q3D等AEDT模塊以及EMC Plus軟件在功率電子、汽車電子、通信家電等領域的EMC仿真應用場景，覆蓋封裝級EMC、部件級EMC、板級系統的CE/RE /ESD問題以及整車系統的RE/RS仿真方法與案例介紹；并分享EMC仿真成功故事以及軟件新技術更新。
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8/4 | AEDT Icepak系統級多物理場熱設計方案
講師簡介：
張理想 | Ansys 主任應用工程師
主題簡介：Ansys Icepak 在系統級熱仿真中以電-熱耦合為核心，能將電磁損耗精確導入三維 CFD，并以單向或雙向耦合方式完成功率器件與整機在瞬態工況下的溫度預測與熱點定位。針對高密度功率電子，Icepak 支持對流道與冷板的共軛傳熱建模和液冷通道仿真，可并行評估冷卻效率、熱點控制與壓降，為液冷系統設計提供可量化的優化依據。
通過與 Twin Builder / Simplorer 的 ROM 提取與場—路協同流程，三維降階熱模型可嵌入系統級仿真與控制器聯合驗證，實現近實時熱預測與數字孿生應用。
展開 如何學好電磁仿真技術？ 附電磁學仿真下載
電和磁是不分家的，有電的地方就有磁，所以電磁技術在電氣設備當中得到了廣泛的應用。
1、電氣設備的絕緣分析是電氣柜的必要仿真之一，換言之，就是在設備當中是否發生閃電（電弧擊穿），那么仿真軟件就可以根據離散化的空間單元來計算電場強度，進而判斷其場強是否大于空氣的擊穿場強，后期進行必要的產品設計更改。這是電磁軟件的電場應用。
2、考慮磁場應用就更多了，高頻的電磁波這里不做考慮，那么低頻的應用包括考慮熱效應的有電磁爐、電磁感應淬火、電氣設備功率損耗、電纜功率損耗等
3、考慮電磁受力的有電磁炮、電磁鐵、斷路器的電磁脫扣器，電氣柜的電動力
4、考慮電磁場效果的的有變壓器、金屬檢測儀器、無線充電技術、磁懸浮等技術
電磁仿真技術學習經驗分享
以上講了電磁的常規應用，下面我說一下個人的對于電磁仿真技術的學習經驗。供大家參考，有興趣的可以深入研究
1、話說干一行愛一行，首先你得喜歡仿真分析這門玄學。更要對其充滿好奇心，要多想想你能從中得到什么，沒有興趣，那么就果斷放棄吧，此處不開花，總有你綻放的地方
2、有了興趣那么你就要開始深入研究。如果你對《周易的》乾坤八卦不了解（乾代表天，坤代表地，巽（xùn）代表風，震代表雷，坎代表水，離代表火，艮（gèn）代表山，兌代表澤），那么你對五行-金、木、水、火、土，至少要有個概念，換言之，你對Maxwell方程組不了解，那么對其衍生的電磁學知識有個初步的感性認識，其理論知識至少要達到一定高度（初中物理中的電磁知識即可）。
原理其實很簡單，結合個人經驗，你需要知道三點知識即可
（1）明白無論直流還是交流，只要有電流就會產生磁場，了解其磁場方向（右手定則），方向看看指南針即可
（2）明白電流在磁場中受力方向（左手定則）。
展開 AMESim電磁閥仿真詳解：一種深低溫電磁閥試驗系統設計與仿真
基金項目：國家自然科學基金——聯合基金項目（U1937602）
摘 要：
為實現某低溫運載火箭三子級冷氦增壓系統液氫溫區閥門性能考核，采用AMESim建立系統仿真模型，仿真分析被測冷氦增壓電磁閥不同工作模式，得出兩臺200W@20K斯特林制冷機、兩臺70L高壓低溫換熱貯罐、按照箭上落壓、等間隔開啟/關閉工作模式的設計方案，以最小貯箱容積和最短換熱時間實現冷氦電磁閥液氫溫區性能試驗。
案例分享 | 用Adams-Marc協同仿真對車輛極端負載狀況進行仿真
圖7.接觸力比較：
實物試驗與協同仿真結果對比
在工程師調整了仿真模型中的 Y 坐標并進行了另一次協同仿真之后，所生成的黑色曲線就非常接近實物試驗的結果了。在進行這次嘗試時，只將螺釘作為一種假設添加到 Marc 模型中，而不是對螺釘本身進行精細建模，這樣就可以解釋協同仿真結果與試驗結果之間余下的差異。
經進一步分析，在協同仿真結果與試驗結果之間呈現出更好的相關性，出于保密原因，本文無法給出這些圖表。此外，將 Adams 和 Marc 結果文件讀入 CEI Ensight 中，還可以制作協同動畫（圖 8）。
圖8.采用Adams和Marc的數據、在CEIEnsight中實現的可視化的寶馬汽車凸起碾壓協同動畫圖片
總之，采用 Adams-Marc 協同仿真方法，汽車 OEM 工程師和 MSC 在一天之內就能找到實物試驗結果與仿真結果之間良好的相關性，這表明即使在極端負載狀況下，也可以利用這種協同仿真技術準確而有效地預測車輛的動力學負載。
參考文獻
1.Adams Marc 協同仿真特別興趣小組聯合運用多物理場仿真（MKS）和非線性有限元法（FEM），C. Kopp、H. Krings、R. Bosbach（MSC 軟件公司），德國柏林，2017 年 11 月
2.采用非線性有限元分析（FEA）和多體動力學（MBD）的協同仿真
3.“2018 德國國際工程分析學會計算與仿真年會——應用、發展與趨勢”，C. Kopp、H.
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