Ansys 仿真软件分析充电和放电现象

Ansys 是一家专门从事结构、流体动力学、电磁和多物理工程仿真的公司，最近与 Electro Magnetic Applications, Inc. (EMA) 合作推出了其 EMA3D Charge 软件。EMA3D Charge 是一款模拟软件，可改进从太空探索到汽车和消费电子产品等应用的设计和安全性。

在大多数电子应用中，尤其是在航空航天和汽车设计中，必须减轻与充电和放电事件相关的安全风险。在太空任务中，工程师必须确保航天器不会受到辐射和宇宙射线的负面影响。同时，任何类型的车辆都必须保持其对安全至关重要的功能，即使在遇到意外的充电或放电事件时也是如此。

静电放电 (ESD)可能导致异常甚至系统故障，它是由超过材料强度的电场引起的，然后迫使高电流通过材料和潜在的系统组件。在太空中，这些高电场是由等离子体环境引起的充电引起的。在陆地上，它可能是由高压差或静电荷积聚引起的。减轻 ESD 的有害影响在所有电子设计中都是必不可少的，这使得支持 ESD 分析的工具在为这些恶劣环境设计和制造车辆时必不可少。

ANSYS EMA3D 充电

Ansys 的新软件工具满足了工程师评估可能导致灾难性产品故障的充电和放电事件的需求。仿真软件允许在设计周期中进行早期风险分析，从而提高预测准确性并缩短上市时间和成本。

“我们开发 EMA3D Charge 是因为我们看到这种软件解决方案在行业中存在差距。尽管它一直专注于航天器行业，但事实证明，我们用于充电和放电的许多物理和解决方案也适用于比我们最初想象的更广泛的行业”，Kevin-Druis Merenda 说, EMA 的科学家。

据 Merenda 称，Ansys 仍在探索该工具可以应用的可能领域的深度。这不仅包括航天器、航空航天和国防应用，还包括汽车、消费电子产品，以及更普遍的任何可能存在 ESD 风险的领域。

该工具本身旨在通过观察材料在等离子体环境或高压环境中的充电方式来分析和评估静电放电的风险。风险评估非常重要，因为它有助于预测 ESD 事件是否真的发生在航天器表面、电介质内部，甚至当消费者在地毯上行走然后触摸他们的计算机时产生电荷时会发生什么。

从性能的角度来看，EMA3D Charge 非常高效，因为它利用多核架构来缩短仿真时间。在单核硬件平台上通常需要一周才能运行的模拟现在可以在一两天内完全执行。

太空工程师必须解决的两个典型问题与太空中暴露的电介质或卫星上的表面充电有关。

EMA3D Charge 通过利用四个物理（时域）求解器提供全面而准确的分析，帮助设计人员评估和管理与材料装卸相关的风险。更准确地说，该工具提供以下主要功能：

· 预测由于放电事件导致的灾难性卫星故障，必须在项目设计阶段解决这一问题，因为在轨测试几乎是不可能的

· 预测卫星和太空平台上的电荷积累，这是一项艰巨的任务，需要彻底了解等离子体和材料物理学

· 由于难以预测不良电磁干扰 (EMI) 效应和材料退化，它执行准确的充电分析以检测电弧何时、何地以及如何形成

该软件还管理空气和固体电介质中静电放电的影响，传统上这需要大量具有高学习曲线的复杂模拟工具。可以使用 EMA3D Charge 分析的充电和放电现象如下：

· 空气击穿：在高压系统中，它利用有限元时间差法和非线性空气化学模块来模拟各种空气密度和湿度下的电弧放电

· 表面充电：在低能和高能等离子体环境中，以及通过摩擦起电，可以使用高度优化的电荷平衡方程求解器

· 固体材料的内部充电：从高能粒子通量，它利用 3D 粒子传输源和全波电磁有限元法 (FEM) 的耦合

· 耦合充电模拟：它利用电荷平衡方程求解器、FEM 和 3D 粒子传输工具来自洽地求解由表面充电问题产生的 3D 电场

· 固体介电材料中的介电击穿：当局部场超过给定材料的介电强度时，使用 FEM 与 3D 粒子源和随机树模型的耦合来模拟。

该工具的最新版本 (2022 R1) 旨在解决更多技术问题，包括 PCB、3D IC 封装、EMI/EMC、热、布线和机电设计，在 5G、自动驾驶汽车和电气化仿真方面取得了重大进展。图 2 显示了新介电击穿能力的一个示例，用于评估航天器、太阳能电池板、高压固体绝缘体、电缆和连接器设计的设计和介电击穿风险。

“今天，我们在材料和太阳能电池板设计方面取得了许多进步。能够使用更高功率的太阳能电池板和创新材料，并快速有效地模拟那些用于 GEO 环境和其他任务的材料，是我们已经完成的一项重大任务，”EMA 高级科学家 Gregory Wilson 说。

除了在太空中执行 ESD 测试外，最重要的事情之一是辐射硬化。许多电子元件需要进行抗辐射处理，以确保它们能够经受住任何位翻转。

“这些是我们可以用我们的工具解决的问题，特别是屏蔽效应和那种可靠性。我们还准备在我们的实验室中测量特定的材料特性，这些特性将用作工具的输入”，Wilson 说。

这就是为什么 Ansys 建立了一个测试实验室设施，允许他们运行与为验证它们而设置的模拟相同的测试。来自仿真的数据也可以耦合到 Ansys 环境中的其他工具，例如 EMA3D Cable。

“EMA3D 电缆允许我们将发生在电缆上的瞬变耦合，以了解下线电路将如何受到影响。为此，我们从仿真中导出一个 S 参数文件，使我们能够直接将这些影响应用到香料模型，然后可用于电路设计和分析”，Wilson 说。

正如威尔逊解释的那样，每当他们有客户来他们的实验室进行测试时，他们都会免费向客户提供该测试的候选模拟。通过这种方式，他们可以展示测试和仿真的互补性，并展示工具的验证，这将使他们能够执行更多的仿真，并改变他们可能拥有的设计迭代，而无需测试每一个设计改变。