影响高科技设备中传感器的 PCB 振动仿真

PCB 上的振动会导致组件之间产生不良噪声和干扰。仿真可以揭示振动源并帮助设计人员制定对策。在这篇博文中，了解耦合物理场虚拟孪生如何模拟电磁、结构和振动声学效应，以及导致振动干扰的因果耦合。

由嗡嗡声电容器引起的 PCB 振动的动画。

高科技设备装有传感器和天线。传感器可以包括加速度计、心率监测器、高度计和麦克风。天线包括蜂窝、WiFi 和卫星。这些组件中的许多本质上是高度敏感的，其输出可能会受到设备本身产生的局部噪声和振动的影响。

压电效应、洛伦兹力和磁致伸缩都会导致电子元件振动。如果这些振动与印刷电路板 （PCB） 的机械共振相互作用，则整个电路板都会振动。这些振动不太可能被听到，但它们会对智能手表、医疗设备、科学仪器和精密制造机械等设备中的传感器和其他敏感电子元件造成干扰。

在这篇博文中，我们展示了耦合的物理虚拟孪生如何模拟电磁、结构和振动声学效应，以及导致振动干扰的因果耦合。通过这种详细的分析，工程师可以通过适当的设计更改来减轻任何振动。

电子元件振动的原因是什么？

振荡信号广泛用于电子设备，包括电源以及模拟和数字信号传输。由于多种物理现象，电子设备中常用的组件容易受到这些信号的振动的影响。

通常，振动可以忽略不计。但是，如果元件安装在 PCB 上，则电路板可以成为谐振器，从而显着放大效果。振动可以传导到其他组件，从而可能对其功能产生不利影响。

压电效应

多层陶瓷电容器 （MLCC） 广泛用于电子应用，包括去耦、滤波和定时，并具有许多优点，包括其尺寸和可靠性。MLCC 使用具有压电效应的材料。压电效应是某些材料在受到机械应力时产生电荷的现象。 相反，这些材料在受到电场作用时也会发生机械变形。当施加振荡信号时，这会引起振动。

磁致伸缩

在电源电子设备中很常见，由于一种称为磁致伸缩的现象，电感器和变压器的铁氧体磁芯等磁性材料内部也会发生类似的效应。当材料被磁化时，偶极子会旋转以与磁场对齐。这会在材料内部产生磁性水平的应变并导致其伸长。施加振荡信号时，这可能会导致振动。

洛伦兹力

振动的另一个潜在原因是洛伦兹力。与麦克斯韦方程组一样，洛伦兹力是电磁学的基本组成部分。它通常被称为磁力，用于电机和发电机，其中磁场中的载流导体受到力。在存在振荡信号的情况下，可以在电感器和线圈等电子元件中看到这种效果。同样，这可能会引起不必要的振动。

为什么 PCB 上不需要振动？

可听见的噪音

振动引起的一个问题是噪音。如果振动在可听频率范围内，则可以将其视为嗡嗡声。例如，变压器的嗡嗡声或嗡嗡声是由磁致伸缩引起的常见噪声投诉。通常，可听见效果在高功率电子产品中更为常见。

电磁干扰

振动还可以通过一种称为“颤噪”的效果引起电磁干扰。麦克风通常利用压电效应将振动转换为电信号。MLCC 可以像微型麦克风一样，将振动转换为电信号。这在音频系统中尤其明显，会在声音输出中产生不需要的嗡嗡声。

传感器干扰

越来越多的设备包括高精度传感器。这些常见于智能手表和其他可穿戴医疗设备、科学仪器和高精度制造机械中，例如半导体生产中。振动会干扰传感器，导致输出中出现噪声并限制传感器的精度。

应变和开裂

振动也会在材料内部产生应力。随着时间的推移，这些会削弱组件并导致其更快失效。特别是，PCB 会在高应力点周围开裂，连接器可能会松动，焊接接头可能会失效。

通过仿真分析和减轻 PCB 组件振动

为了找到解决方案，工程师需要研究组件振动和 PCB 谐振，以期通过精心设计最大限度地减少干扰和噪声。仿真可以揭示器件“虚拟孪生”上的振动源，从而在开发过程的早期识别和解决问题。这意味着无需构建和测试物理原型即可发现问题，从而加快开发过程并降低开发成本。

工程师可以在 3DEXPERIENCE Platform 上通过 Dassault Systèmes SIMULIA 的仿真工具使用多物理场工作流程。这提供了一个集成环境，将多个基于物理的仿真工具整合到一个共享环境中。

电磁仿真

线圈中的洛伦兹力模拟。

仿真工作流的第一步是构建仿真模型。来自电子设计自动化 （EDA） 工具的 PCB 布局将导入 SIMULIA CST Studio Suite，该套件可以自动提取 3D 仿真模型。用户定义系统的输入信号。然后，电磁仿真计算组件内的电流、场和洛伦兹力，这些力可以很容易地可视化。

结构模拟

PCB 上的谐振动画

然后将 3D 模型和相关字段导入 SIMULIA Abaqus 进行结构仿真。Abaqus 可以模拟电容器的压电特性以及磁致伸缩和洛伦兹力引起的应变。还可以计算 PCB 结构的谐振模式。然后，可以使用振动源在耦合仿真中驱动 PCB 谐振，以计算空间速度场。

振动声学仿真

振动 PCB 周围的声压级。

然后将空间速度场导出到振动声学工具 SIMULIA Wave6 中。这将计算 PCB 振动场、声辐射模式和探测声压级 （SPL）。这样，工程师就可以了解振动如何耦合到其他传感器中，以及可以感知到哪些噪声。

改进设计

仿真结果使 PCB 设计人员能够识别潜在问题并快速解决它们。设计人员可以比较不同噪声抑制产品和元件布局对 PCB 的影响。它们还可以识别 PCB 上的潜在故障点，并优化 PCB 布局和尺寸，以承受预期作环境中的预期振动应力。在进行物理原型设计之前，主动解决传感器故障、组件松动或焊点疲劳等潜在问题，可以提高设备的可靠性。

如果发现振动问题，工程师可以使用多种方法来改进 PCB 布局：

• 如果可能，调整振动源和受害传感器的位置，将这些敏感元件从谐振频率的 PCB 中的高应变区域移开。

• 噪音抑制组件，如橡胶阻尼器，也可以减少振动。

• 更改固定 PCB 的固定点和螺钉。

• 调整 PCB 的大小或形状以消除谐振。

结论

PCB 上的振动会导致组件之间产生不良噪声和干扰。仿真可以揭示振动源并帮助设计人员制定对策。了解 PCB 振动需要一种组合的物理方法，将电磁、结构和振动声学仿真方法集成到电子设计自动化 （EDA） 工作流程中。Dassault Systèmes SIMULIA 工具为 PCB 振动分析提供了完整的多物理场工作流程。使用仿真，PCB 设计人员可以识别问题并找到解决方案，而无需构建和测试物理原型。使用仿真可以加快 PCB 设计速度，并降低在开发后期或发布后出现问题的风险。