航空发动机电子控制器PCB布局电磁兼容性设计研究

中图分类号：V247.1论文编号：102870212-S112学科分类号：082521硕士学位论文航空发动机电子控制器PCB布局电磁兼容性设计研究研究生姓名张寅学科、专业航空宇航科学与技术（系统仿真与控制）研究方向电子控制器设计技术指导教师叶志锋教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一一年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchontheElectromagneticCompati-bilityDesignTechnologyoftheElectronicController’sPCBusedinAero-engineAThesisinAerospaceScienceandTechnology(SystemSimulationandControl)ByZhangYinAdvisedbyProfessorYeZhifengSubmittedinPartialFulfillmentOftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2011承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士论文I摘要随着微电子技术的不断发展，多层印制电路板技术不断成熟，航空发动机全权限数字控制系统的性能也在不断提升。目前，主流电子设备的处理器时钟已超过500MHz，时钟的上升/下降沿更是提高到了ps（皮秒）级，因此电子控制器中PCB板电磁兼容性设计的重要性受到了设计人员的广泛关注。本文首先阐述了电磁兼容方面的基本理论，推导了时谐场下的麦克斯韦方程组并介绍了电磁场仿真中常用的全波有限元算法。然后，以PCB板为对象，对其建模。在10MHz至1GHz频率范围内，使用Ansoft公司的SIwave对模型进行了谐振、信号完整性、频率特性和电磁场分布的仿真研究；并使用容向公司的电磁干扰高速扫描系统EMSCAN对电子控制器PCB板进行了频率特性测试和近场分布测试，同时指出了仿真和测试对PCB设计测试工作的指导意义。最后通过测试与仿真结果的对比，验证了仿真的准确性，提出了一种基于仿真预测PCB板电磁兼容性能的实现途径，对于电子控制器PCB板的电磁兼容性设计具有参考价值。关键词：电子控制器，PCB，电磁兼容，SIwave，EMSCAN航空发动机电子控制器PCB布局电磁兼容性设计研究IIABSTRACTWiththeconstantdevelopmentoftheMicroelectronicsTechnology,thetechnologyofMulti-layerPrintedCircuitBoardismaturerandmatured.AndtheperformanceoftheFADECsystems,usedintheaero-engine,continuestoimprove,too.Nowadays,moreandmoreelectronicequip-ments’microprocessorclockfrequencyareupon500MHz.Therisetimeandfalltimeofthesemi-croprocessorsareshorterthanfewpicoseconds.Somanydesignerspayattentiontotheimportanceoftheelectroniccontroller’sPCB’selectromagneticcompatibility.Thebasictheories,theMaxwell’sequations,usedintime-harmonicelectromagneticfield,andtheFull-WaveFiniteElementMethod(FEM),whichiswildlyusedinelectromagneticfield,areintroducedatfirst.AndthisthesistakesthePCBfortheDigitalControllerastheapplicationobject.Theresonantmodes,thesignalintegrity,thefrequencycharacteristicandtheelectromagneticfieldofthePCBmodelareallsimulatedbySIwave,AnsoftCorporation’sapplication,from10MHzto1GHz.ThefrequencycharacteristicsandelectromagneticnearfieldoftheElectronicController’sPCBarebothtestedbytheEMSCAN,producedbyEMSCANCorporation,inthesamefrequencyrange.ThethesisalsopointsoutthevaluesofthesimulationandtestforthedesignofthePCB.Thetestmeasurementresultsshowedawellagreementwiththesimulation.Thisthesispro-posesamethodofthepredictionforthePCBs’EMC,basedonthesimulation.Ithasimportantref-erencevaluetotheEMCdesignfortheelectroniccontrollers’PCBs.Keywords:ElectronicController,PCB,EMC,SIwave,EMSCAN南京航空航天大学硕士论文III目录第一章绪论....................................................................................................................................11.1研究背景及意义.........................................................................................................................11.2国内外研究动态..........................................................................................................................31.2.1国外研究动态......................................................................................................................31.2.2国内研究动态......................................................................................................................51.3本文的主要研究工作及结构安排..............................................................................................5第二章电磁兼容基本理论...................................................................................................................72.1电磁兼容基本定义.....................................................................................................................72.1.1电磁干扰的三要素..............................................................................................................72.1.2常见电子元件的高频特性..................................................................................................82.1.3电磁兼容分析......................................................................................................................92.2电磁场基本理论........................................................................................................................102.2.1麦克斯韦方程组................................................................................................................102.2.2时谐场下的麦克斯韦方程组.............................................................................................112.2.3电磁场的边界条件............................................................................................................122.3有限元法求解电磁场问题........................................................................................................122.4全波有限元法............................................................................................................................152.5本章小结....................................................................................................................................17第三章PCB电磁兼容建