連接器是資料通道中最關鍵的部分之一，連接的品質會對數據傳輸性能和訊號完整性（SI）產生重大影響。將模擬融入連接器設計流程中，使工程師能夠優化數據傳輸，並使他們即使在多次使用週期後也能對接觸和插入充滿信心。本文將逐步演示如何使用統一建模和模擬（MODSIM）設計USB連接器。

背景

資料需求量大的應用程式，如高清晰度串流影片、遊戲和智慧裝置，以及遠程醫療和自動駕駛等工業應用，都需要更寬的頻寬和可靠的連接。為了支援更高的數據速率，訊號脈衝必須更快地開啟和關閉；換句話說，它們的上升和下降時間減少了。隨著訊號頻寬越來越寬、上升時間越來越短，尤其是在連接器等結構中，訊號完整性更難實現，這是由於不連續性的反射、材料損失、其他通道的串擾以及非對稱的模式轉換等問題。

電子數據通道需要以最小的訊號失真進行資料傳輸。傳輸訊號的PCB、連接器和電纜可能會成為不必要的噪音，並干擾附近的電子設備。因此，確保高訊號完整性並達到電磁兼容性（EMC）認證標準極為重要。

不僅是第一次使用時，甚至是百次或千次，都需要能夠可靠地連接。端子必須正確接觸，以最小化可能導致訊號完整性問題的反射和損耗，而彈簧需要以正確的力將連接器固定到位，以便它不會意外脫落，使用者仍可輕鬆地插拔連接器。

電子設備發展迅速，因此產品生命週期非常短，限制了設計和分析的可用時間。鑑於如此短的時間框架，我們應如何提高預測能力，並做出更好的設計決策呢？

什麼是MODSIM？

電腦輔助設計（CAD）建模和電腦輔助工程（CAE）模擬均已成熟。MODSIM是「統一建模和模擬」的縮寫，結合這兩種技術，將CAD與模擬工具整合在一個共同的資料庫中，以分析設備在設計過程中的性能。所有模型和模擬數據都存儲在單一的真實來源中，因此所有使用者都在使用相同的最新資訊。CAD模型直接用於構建模擬模型，而模擬結果反過來又用於指導設計。

MODSIM加速了產品開發，因為它允許設計人員從設計的最早階段就驗證產品是否符合規範和要求，而不是在投入資源來開發和建立樣品之後，才發現測試中存在問題而耗費資源。以連接器為例，MODSIM提供了幾個優點：

1. 減少所需的樣品數量：由於可以在不進行物理測試的情況下識別潛在問題，因此只有在設計人員確信設計符合SI和EMC要求時才需要製造實體樣品。
2. 部門之間的溝通改善：設計和模擬傳統上是孤立工作的。通過將兩者整合，MODSIM實現了協作，使設計人員能夠更直接地訪問模擬資料。
3. 加速開發：MODSIM還可以加快開發速度，因為CAD模型可以直接轉換為模擬模型，因而可減少為所有不同類型的模擬，準備模擬就緒模型所需的工作量。模擬結果可用於改進設計，甚至可以直接使用自動參數或非參數優化，對其進行優化設計。

USB連接器的MODSIM工作流程

第1階段：定義需求

在連接器專案的第一階段，產品負責人和CAE經理共同創建一份完整的需求清單。這些需求確保了連接器將符合電磁和結構規範，並遵循產業標準。需求可能包括：

• 插拔力（上限/下限）
• 疲勞和插入週期
• 訊號完整性
• 法定EMC限制
• 幾何限制（尺寸、形狀）

使用達梭系統（Dassault Systèmes）的ENOVIA品牌應用程序來創建與專案和設計相關需求，需求被分為不同的類別，可完整概覽所有的績效指標（KPI）。例如，EMC規範文件夾下有遵循FCC標準其不同頻率範圍的輻射發射（RE）要求，使用者可以在需求規格下添加需求細節，其中包含各種參數值或參數範圍、優先級和成熟度狀態、需求所有者等。

在此階段，可以在ENOVIA測試管理應用程序中定義測試以驗證合規性，並分配給負責的工程師。

第2階段：建模

設計專家和SI工程師將共同確保連接器符合SI要求。他們使用SOLIDWORKS連接到雲端建立參數化模型進行模擬。

上圖是SOLIDWORKS中設計的連接器模型。它由公/母部件組成，分別連接到各自的PCB上。該模型是參數化的，簡化了對幾何形狀和設計探索進行更改的過程。該模型被保存到3DEXPERIENCE平台上，以便參與專案的所有利益相關者都可以存取。

第3階段：模擬

SI工程師以Power'By模式啟動SIMULIA的電磁模擬軟體CST Studio Suite，並從3DEXPERIENCE平台接收更新後的模型。該模型與模擬設置一起保存在本地，因此定義了頻率範圍、網格劃分、端口和激發訊號等重要方面，之後可以在本地或3DEXPERIENCE Cloud平台上執行模擬分析。3DEXPERIENCE Cloud平台為偶有高性能模擬需求的使用者帶來了高性能運算（HPC）的能力，對他們來說，高效能伺服器或專用工作站這類硬體太貴了。雲端化的模擬讓設計人員能夠更充分地利用，並改進MODSIM工作流程。

在此使用一種特殊電磁求解器TLM Solver，非常適合模擬複雜幾何形狀的電磁干擾（EMI）／電磁兼容性（EMC）。它使用邊界近似（Cell Warping）和Cell Lumping技術，可大幅減少對幾何形狀進行網格劃分所需的單元數量，而不會危及模擬的準確性。如有必要，模擬還可以包括電纜本身和整個手機的幾何圖形。

在進行電磁模擬的同時，還可以對連接器的機械性能進行模擬。使用SIMULIA的結構模擬軟體Abaqus，在3DEXPERIENCE平台上開啟連接器模型，使用「虛擬雙生」模擬插入過程，輸出結果，例如端子上的應變（以及導致的變形）、夾持力和多次循環後的疲勞情況。

第4階段：分析

如圖3為使用差分訊號激發的連接器及其端口的模擬模型，將顯示如圖4的回波損耗、插入損耗（Insertion Loss）和串擾訊號的頻譜圖，以及圖5的時域反射（TDR）訊號。使用者可以視覺化並動畫顯示高速連接器上的表面電流分佈情況，虛擬探針可捕獲各方向特定距離內的電場，以分析EMC合規性，例如FCC輻射標準。 圖6顯示了500 MHz USB訊號和高速2.5GHz USB訊號的峰值排放量。

3DEXPERIENCE平台提供了結果總結。舉例來說，串擾在所有頻率下都在限制範圍內，表明了串擾和插入損耗都已符合要求；但當涉及到TDR，差分TDR阻抗低於要求值，某頻段的回波損耗超過最大允許值；為了改善這個問題，需要進行設計變更。

第5階段：重塑和變更管理

SI工程師發現TDR在彈簧位置的阻抗下降太多，因此選擇減少插座管腳（Socket Pin Stubs ）的長度，這可能增加寄生電容。這種設計變更必須與設計專家進行溝通。他們將使用變更管理一起工作，以確保對連接器模型進行必要的更改，使其符合SI要求並符合EMC標準，並由EMC工程師進行檢查。

為了請求更改，SI工程師使用問題管理；該問題將附加到幾何圖形上，並以地標顯示。設計人員被要求在SOLIDWORKS中修改插座的引腳長度，一旦在SOLIDWORKS中修改了相應變量的值，更新後的模型再次保存為修訂版本，可以重新模擬新的設計；包括電磁模擬和結構模擬，以確保符合要求並且不會影響機械性能。其模擬確認符合電磁要求不會對連接器的電磁性能產生不利影響。

該模型將放置在問題管理的解決選項卡下，以便通知所有者該模型已更新。他們可以檢查變更並將其發送以供批准。

第6階段：批准

一旦問題得到解決，並且設計已符合圖表中所見的TDR要求，SI工程師可以在測試管理中驗證並更新測試結果；更新將會發送給專案經理，經過審查結果後，該測試案例被標記為已通過，並發送給CAE經理以供批准。CAE經理可以批准測試並可以發布需求。

結論

MODSIM工作流程相較於傳統設計流程，可以顯著地加快開發速度。在傳統設計流程中，TDR問題往往只會在完成設計和建造樣品後才能被檢測。3DEXPERIENCE平台上提供了所有的工具，包括ENOVIA的需求管理、SOLIDWORKS的建模、SIMULIA的模擬，團隊可以在3DEXPERIENCE平台上協同工作，共享一個自動更新的共同模型，以確保所有人都使用最新資料進行工作。最終促成一個符合所有電子認證要求和標準的連接器。

文章來源：SIMULIA Blog