采用建模與仿真助力實現高速連接器設計

連接器是數據通道中最關鍵的零部件之一，其連接質量將對數據傳輸性能和信號完整性產生重大影響。通過將仿真完美整合到連接器設計流程中，不僅可以幫助工程師優化數據傳輸，而且還可以讓他們在多輪使用周期后仍對接觸和插入滿懷信心。本文將逐步演示如何采用統一的建模與仿真(MODSIM)方法來設計微型USB連接器。

相關背景

無論是高清流媒體視頻、游戲和智能設備等數據密集型應用，還是遠程醫療和自動駕駛等工業應用，都需要更高的帶寬和可靠的連接。

為了支持更高的數據速率，必須更快地打開和關閉信號脈沖，也就是說，必須縮短它們的上升和下降時間。由于來自不連續處的反射、材料損耗、其他通道帶來的串擾以及非對稱模式轉換等問題，在更高的信號帶寬和更短的上升時間的情況下，更難實現信號完整性，尤其是在類似連接器這樣的結構中。

電子數據通道需要以最小的信號失真促進數據傳輸。傳輸信號的PCB、連接器和電纜可能會成為不必要的噪聲源，可能會干擾附近的電子設備。因此，確保較高的信號完整性并滿足電磁兼容性(EMC)認證標準變得至關重要。

 

 

圖1：3DEXPERIENCE平臺中連接器的初始模型。

 

此外，我們不僅需要在首次使用時確保可靠連接，而且在成百上千次使用時也需要確保可靠連接。管腳必須正確接觸，以最大限度地減少可能會導致信號完整性問題的反射和損耗，與此同時，彈片需要以正確的力將連接器固定在適當的位置，在確保其不會意外脫落的同時，方便用戶完成插入和取出。

隨著設備的快速演進發展，產品生命周期不斷縮短，這限制了設計和分析的可用時間。在如此短的時間范圍內，我們如何提高預測能力并做出更出色的設計決策?

 

什么是MODSIM?

計算機輔助設計(CAD)建模與計算機輔助工程(CAE)仿真均已得到廣泛應用。“統一的建模與仿真”方法(MODSIM)充分結合上述功能，將CAD與仿真工具集成到一個通用的數據庫中，用于在設計流程中分析設備的性能。所有模型和仿真數據都存儲在一個統一的數據源中，因此所有用戶都在使用相同的最新信息開展工作。我們可以直接利用CAD模型來構建仿真模型，再利用仿真結果指導相關設計。

MODSIM可以加速開發，因為其允許設計人員從設計的最初階段就針對產品是否符合相關規范和需求進行驗證，而不是將資源投入到開發和原型設計中，結果卻在測試過程中發現問題。

就連接器而言，MODSIM可提供以下眾多優勢：

01

減少所需的原型數量：由于無需進行物理測試即可識別潛在的問題，因此只有當設計人員確信設計符合SI和EMC需求時，才需要制造物理原型。

02

改善各部門間的溝通：傳統上，設計與仿真各自為政地開展工作。通過將兩者完美整合在一起，MODSIM可助力實現協同工作，使設計人員能夠更直接地訪問仿真數據。

03

加快開發速度：此外，MODSIM還可加快開發速度，因為CAD模型可以直接傳輸到仿真中，從而減少為所有不同類型的仿真準備隨時可用于仿真的模型所需的工作。然后，可以將仿真結果用于改進設計，甚至能夠直接使用自動參數化或非參數化優化對其進行優化。

用于USB連接器的MODSIM工作流程

第一階段：定義需求

在項目的第一階段，產品負責人和CAE經理可為連接器項目創建一份綜合全面的需求列表。這些需求可確保連接器同時滿足電磁和結構規范要求，并符合行業標準。相關需求可能包括：

插入和移除力(上限和下限)

疲勞和插入周期

信號完整性

EMC法律限制

幾何限制(尺寸、形狀)

需求應用程序(來自達索系統ENOVIA品牌)用于創建項目和設計相關需求。這些需求按照不同的類別進行分類，可提供所有KPI的完整概述。例如，EMC規范文件夾下包含輻射發射(RE)需求，遵循不同頻率范圍的FCC標準。用戶可以在需求規范中添加需求詳細信息，其中包括各種參數值或參數范圍、它們的優先級和成熟度狀態、需求的負責人等。

在這個階段，還可以在ENOVIA測試管理應用程序中定義驗證是否符合需求所需的測試，并將其分配給負責此項工作的工程師。

第二階段：建模

 

 

圖2：初始連接器模型，包括PCB的各個部分。

 

設計專家和負責仿真工作的SI工程師將協同開展工作，確保連接器滿足SI需求。參數化模型是使用已連接的SOLIDWORKS在云端創建的，并在云端進行仿真。

圖2所示的是在SOLIDWORKS中設計的連接器模型。其由公頭和母頭零部件組成，每個部件都連接到各自的PCB上。該模型為參數化模型，其簡化了對幾何結構和設計探索進行更改的流程。該模型將被保存至3DEXPERIENCE平臺，以便所有參與該項目的利益相關方都可以進行訪問。

第三階段：仿真

現在，SI工程師在Power'By模式下啟動電磁仿真工具CST Studio Suite，并從3DEXPERIENCE平臺接收更新的模型。利用仿真設置將模型保存在本地，就可以定義頻率范圍、網格劃分、端口和激勵信號等重要信息，然后可以在本地或3DEXPERIENCE云平臺上執行仿真。3DEXPERIENCE云平臺可為偶爾有嚴苛仿真需求的用戶提供強大的高性能計算(HPC)功能，對于他們來說，專用的本地硬件成本過于高昂。云平臺助力推動仿真技術普及化推廣，使設計人員能夠更充分地利用仿真技術，并改進MODSIM工作流程。

我們使用了一種稱為“瞬態傳輸線矩陣(TLM)”的特殊電磁求解器，它非常適合仿真復雜幾何結構上的干擾/電磁兼容性(EMC)問題。其采用理想邊界擬合技術(網格彎曲)和網格集總技術，在不影響仿真準確性的情況下，可顯著減少對幾何結構進行網格劃分所需的網格數量。若有必要，仿真還可包括電纜本身和整個手機的幾何結構。

在進行電磁仿真的同時，還可以對連接器的機械性能進行仿真。使用3DEXPERIENCE平臺，在SIMULIA的結構仿真工具Abaqus中打開連接器模型。使用連接器的“虛擬孿生”對插入過程進行仿真，輸出多輪周期內管腳上的應變(以及由此產生的變形)、保持力和疲勞等結果。

第四階段：分析

 

 

圖3：在CST Studio Suite中仿真的連接器。

 

 

圖4：連接器的散射參數。

 

 

圖5：連接器的TDR信號。

 

圖3所示的是連接器的仿真模型以及使用差分信號激勵的端口。圖4所示的是回波損耗、插入損耗和串擾信號的頻率圖，圖5所示的是時域反射計(TDR)信號。用戶可以對高速連接器上的表面電流分布進行可視化和動畫化。EMC合規性可以通過虛擬探針進行分析，這些探針可以在3米的距離內從不同方向捕獲電場。上述內容反映了FCC輻射發射B類標準。

3DEXPERIENCE平臺可提供結果摘要信息。在本示例中，所有頻率下的串擾均在限制范圍內，這表明串擾需求已得到滿足。插入損耗亦是如此，但對于TDR而言，差分TDR阻抗低于所需值。同樣，10GHz處的回波損耗也略高于最大允許值。

因此，我們可以說，當前設計不符合阻抗和回波損耗的需求。為了糾正這一點，需要對設計進行更改。

第五階段： 重新建模和變更管理

信號完整性工程師發現，基線TDR在彈片位置的阻抗下降太多，但是選擇縮短插座管腳短截線的長度，則可能會增加寄生電容。因此，這種設計更改必須與設計專家進行溝通。他們將使用變更管理協同開展工作，以確保對連接器模型進行必要的更改，使其滿足SI需求的同時，還符合EMC標準，并由EMC工程師進行檢查。

SI工程師通過使用問題管理來申請變更。該問題將被連接到基線幾何結構上，并將使用“地標”進行可視化。設計人員需要在SOLIDWORKS中修改插座管腳的長度。一旦在SOLIDWORKS中修改了相應變量的值，更新后的模型將再次作為修訂版本保存在平臺上。新設計可以通過電磁仿真和結構仿真進行重新仿真，以確保其現在滿足相關需求并且不影響機械性能。經仿真證實，符合電磁需求并不會對連接器的電磁性能產生負面影響。

該模型將放置在“問題管理(issue management)”的“解析(resolve)”選項卡下，以便通知負責人，該模型已進行了更新。他們可以檢查相關變更，并將其發送給相關人員以供審批。

第六階段：審批

一旦問題得到解決，并且現在的設計符合圖中所示的TDR要求，SI工程師可以通過驗證新結果來更新測試管理(Test Management)下的新測試結果，并且可以將此測試案例標記為“通過(passed)”。因此，將把更新發送給項目經理，在審查相關結果后，測試被標記為“通過(passed)”并發送給CAE經理進行審批。CAE經理可以批準測試并且關閉這個需求。

 

結論

與傳統設計流程相比，MODSIM工作流程可以顯著加速開發進程，在傳統設計流程中，TDR問題可能只有在完成設計和構建原型后才能檢測到。包括ENOVIA需求管理、SOLIDWORKS建模和SIMULIA仿真在內的所有工具，都可以從3DEXPERIENCE平臺獲得。相關團隊能夠在3DEXPERIENCE平臺上協同開展工作，共享自動更新的通用模型，以確保所有人都使用最新的數據開展工作。最終的結果是，連接器能夠滿足所有電子認證需求和標準。