PCB电路板传感器的振动仿真设计

高科技设备中充满了传感器和天线。传感器主要包括加速度计、心率监测器、高度计和麦克风。天线则包括蜂窝、WiFi和卫星天线。这些元器件中的许多，就其本质而言，都高度敏感，其输出可能会受到设备内部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可能导致电子元器件振动。如果这些振动与印刷电路板（PCB）的机械谐振相互作用，整个电路板都可能振动。这些振动虽然不太可能被听到，但它们可能会干扰传感器及其他敏感电子元器件，影响如智能手表、医疗设备、科学仪器和精密制造机械等设备的正常工作。

通过本文，我们将展示耦合物理场虚拟孪生如何仿真电磁、结构和振动声学效应，以及导致振动干扰的因果耦合关系。通过这种详细的分析，工程师可以适当采取设计变更来减轻振动。

电子元器件产生振动的原因

由电容器嗡鸣引起的PCB振动

振荡信号在电子学中被广泛使用，无论是在电源中，还是在模拟和数字信号传输中。电子产品中一些常用元器件由于几种物理现象，容易受到这些信号引起的振动影响。

通常情况下，这些振动可以忽略不计。然而，如果元器件安装在PCB上，电路板可能成为一个谐振器，从而显著放大这种效应。振动可能会传导至其它元器件，并可能对其功能产生不利影响。

压电效应

多层陶瓷电容器（MLCC）广泛应用于电子领域，包括去耦、滤波和时序电路，并因其尺寸小和可靠性高等优点而备受青睐。MLCC使用了具有压电效应的材料。压电效应是一种现象，即某些材料在受到机械应力时会产生电荷。反之，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，这便可能引起振动。

磁致伸缩

在电源电子设备中常见的一种类似效应，由于一种名为磁致伸缩的现象，会发生在电感器和变压器的铁氧体磁芯等磁性材料内部。当材料被磁化时，磁偶极子会旋转以与磁场对齐。这会在材料的磁性层面产生应变，并导致其伸长。当施加振荡信号时，这便可能引起振动。

洛伦兹力

另一个潜在的振动原因是洛伦兹力。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，在电机和发电机中被广泛应用，其中磁场中的载流导体会受到力的作用。这种效应可以在电感器和线圈等电子元器件中，在有振荡信号存在的情况下观察到。同样，这也会引起不必要的振动。

PCB上的振动的不良影响

可听噪声

振动引起的一个问题是噪声。如果振动处于可听频率范围内，它可能会被感知为嗡嗡声。例如，变压器发出的嗡嗡声就是由磁致伸缩引起的常见噪声投诉。通常，可听效应在更大功率的电子设备中更为常见。

电磁干扰

振动还可能通过一种称为“麦克风效应”的现象引起电磁干扰。麦克风常利用压电效应将振动转化为电信号。MLCC的行为就像微型麦克风，将振动转化为电信号。这在音频系统中尤其明显，会在声音输出中产生不必要的嗡响。

传感器干扰

越来越多的设备搭载了高精度传感器。这些传感器常见于智能手表和其它可穿戴医疗设备、科学仪器以及高精度制造机械中——例如，半导体生产设备。振动会干扰传感器，导致输出中出现噪声，从而限制传感器的精度。

应变与开裂

振动还会在材料内部引起应力。随着时间的推移，这些应力会削弱元器件并导致其提前失效。特别关键的一点是，PCB可能会在高应力点周围开裂，连接器可能松动，焊点也可能失效。

通过仿真分析并减轻PCB元器件振动

为了找到解决方案，工程师需要研究元器件振动和PCB谐振，以期通过精心设计来最大限度地减少干扰和噪声。仿真可以在设备的“虚拟孪生”上揭示振动源，从而在开发过程的早期就识别并解决问题。这意味着问题可以在无需构建和测试实体样机的情况下得到发现，从而加速开发进程并降低开发成本。

工程师可以通过3DEXPERIENCE平台，利用达索系统的SIMULIA软件仿真工具，采用多物理场工作流程。这提供了一个集成环境，将多种基于物理场的仿真工具整合在一个共享环境中。

电磁仿真

线圈中的洛伦兹力仿真

仿真工作流程的第一步是建立仿真模型。来自电子设计自动化（EDA）工具的PCB布局被导入CST Studio Suite，自动提取一个3D仿真模型。用户为系统定义输入信号。然后，电磁仿真计算出元器件内的电流、场和洛伦兹力，这些都可以轻松地进行可视化。

结构仿真

PCB上的谐振

随后，3D模型及相关场被导入SIMULIA Abaqus进行结构仿真。Abaqus可以建模电容器的压电特性以及由磁致伸缩和洛伦兹力引起的应变。PCB结构的谐振模态也可以被计算出来。然后，振动源可以用于在耦合仿真中驱动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

之后，空间速度场被导出到振动声学工具SIMULIA Wave6中。该工具计算PCB的振动场、声辐射模式以及探测点的声压级（SPL）。借此，工程师可以了解振动如何耦合到其他传感器，以及可以感知到何种噪声。

改进设计

仿真结果使PCB设计师能够识别潜在问题并迅速解决它们。设计师可以比较不同噪声抑制产品和元器件在PCB上布局的效果。他们还可以识别PCB上潜在的失效点，并优化PCB的布局和尺寸，以承受其预期操作环境中的振动应力。在制作实体样机之前主动解决传感器失效、元器件松动或焊点疲劳等潜在问题，可以有效提高设备的可靠性。

如果识别出振动问题，工程师可以使用以下几种方法来改进PCB布局：

01在条件允许的情况下，调整振动源和受影响传感器的位置，将这些敏感元器件移离PCB在谐振频率下的高应变区域。

02使用噪声抑制元器件，如橡胶阻尼器，也可以减少振动。

03变换固定PCB的安装点和螺丝。

04调整PCB的尺寸或形状以消除谐振。

结论

PCB上的振动会导致不必要的噪声和元器件之间的干扰。仿真可以揭示振动的来源，并帮助设计师制定对策。理解PCB振动需要一种综合的物理学方法，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。达索系统SIMULIA工具为PCB振动分析提供了完整的多物理场工作流程。通过使用仿真，PCB设计师可以在无需耗费成本构建和测试实体样机的情况下识别问题并找到解决方案。使用仿真可以加速PCB设计，并降低问题在开发后期或发布后出现的风险。

审核编辑 黄宇