Artikelserie EMV-Simulation Ein Wechselspiel aus Analog- und Feldsimulation

Dritter und letzter Teil der Serie zu besserem EMV-Verständnis durch Simulation: So lernen Sie, unter Anwendung effizienter Berechnungs-Workflows abgestrahlte Emissionen korrekt zu berechnen.

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Im zweiten Teil dieser Artikelserie wurde am Beispiel der leitungsgebundenen Emissionen eines DC-DC-Wandlers gezeigt, wie Störsignale durch ein Wechselspiel von Feld- und Systemsimulation berechnet werden können. Außerdem wurden die effizienten Berechnungs-Workflows beschrieben, die in der integrierten Elektronik-Simulationsumgebung des ANSYS Electronics Desktop dazu bereitstehen. In diesem abschließenden letzten Teil der Artikelserie über EMV-Simulation werden diese Ideen noch weiter entwickelt, um abgestrahlte Emissionen zu berechnen. Dies soll anhand des automatisierten Berechnungs-Workflows für digitale Elektronik mit Hilfe von ANSYS SIwave illustriert werden.

In der Digitalelektronik besteht der Schaltungsaufbau meist aus einem Versorgungssystem, in dem oft zwei Lagen der Leiterplatte mit dem(/n) Versorgungsnetz(en) beziehungsweise dem Massenetz durchmetallisiert sind, und den Signalnetzen, auf denen die digitalen Signale zwischen ICs (integrierte Schaltkreise/Chips) beziehungsweise auch Ausgängen kommuniziert werden. Diese beiden Systeme haben jeweils ihre eigenen Herausforderungen bezüglich ihrer Funktionalität und der elektromagnetischen Verträglichkeit. In diesem Artikel soll allerdings auch gezeigt werden, wie das Wechselspiel dieser beiden Systeme zu neuen Herausforderungen führt.

Untersuchung des Versorgungssystems

Eine Untersuchung des Versorgungssystems beinhaltet die Betrachtung der DC-Spannungsversorgung. Hierbei wird analysiert, ob der Spannungsabfall durch Ohm’sche Verluste in den Versorgungsnetzen von VRMs (Voltage Regulator Modules) bis zu den ICs, die versorgt werden müssen, klein genug ist, damit die ICs noch genügend Spannung zur Verfügung haben. ANSYS SIwave bietet die Möglichkeit, solche Simulationen schnell durchzuführen, indem das Layout von gängigen Layout-Systemen zusammen mit der Bestückung importiert wird.

Die Spannungs- beziehungsweise Stromquellen oder zusätzliche Bauteile können auf verschiedene Weisen definiert werden, entweder durch Positionierung in der Geometrie oder über Netze und Reference Designators. Dies erlaubt eine zügige Definition des Simulations-Setups, die speziell auf Leiterplatten zugeschnitten ist. Als Ergebnisse werden sowohl verteilte Größen – wie Spannungs-, Stromprofile und Verlustleistungsdichten – als auch konzentrierte Größen – wie die Spannungen an den Verbrauchern oder die Via-Belastungen.

Die Verlustleistungen können auch automatisiert an thermische Simulationen in ANSYS Icepak weitergeleitet werden, um das thermische Management zu untersuchen. Die Temperaturverteilung lässt sich dann wiederum automatisch in einer weiteren DC-Drop-Analyse verwenden, da die elektrischen Leitfähigkeiten natürlich auch temperaturabhängig sind.

Analyse der dynamischen Effekte

Nach diesem kurzen Exkurs zur Simulation des DC-Drops sollen nun die dynamischen Effekte der Versorgungsintegrität, der Signalintegrität und deren Auswirkungen auf das Emissionsverhalten genauer beleuchtet werden. Das Versorgungssystem einer digitalen Schaltung kann als Plattenkondensator angesehen werden.

Bei entsprechend hohen Frequenzen bilden sich elektromagnetische Wellen zwischen diesen Ebenen aus, die sich parallel dazu ausbreiten und an den Rändern der Power- und Ground-Netze reflektiert werden. Dies kann zu stehenden Wellen und somit Resonanzen führen, die, falls sie angeregt werden, eventuell unerwünschte Effekte hervorrufen. Zum einen kann die Funktionalität, zum Beispiel eine gesicherte Versorgung der ICs, beeinträchtigt sein und zum anderen besteht die Möglichkeit, dass Leiterbahnen auch als Antennen wirken, was zu abgestrahlten Emissionen beziehungsweise einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber eingestrahlter Störungen führt.

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