Schaltungsschutz Leistungsstarke Filtersimulation mit Spice

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SCHURTER GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

SCHURTER AG

Einem erfolgreichen Schaltungsentwurf geht heute (fast) immer eine Simulation voraus. Doch jede Simulation ist nur so gut wie die Daten, die dafür zur Verfügung stehen. Schurter bietet daher für eine große Anzahl seiner ein- und dreiphasigen Gleichtaktdrosseln ausgefeilte Simulationsmodelle an.

Die Schaltungssimulation ist ein Schlüsselelement für Elektronik-Entwickler und kann mit verschiedenen computergestützten Tools durchgeführt werden. Ein seit vielen Jahrzehnten bewährtes Programm ist Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), das 1973 an der University of California entwickelt wurde. Spice wurde über Jahrzehnte weiterentwickelt und ist heute ein etabliertes und weit verbreitetes Programm, das algorithmische Näherungen für analoge, digitale und gemischte elektrische Schaltungen berechnet.

Nah an der Realität

Ein Spice-Simulationsmodell ist eine virtuelle Beschreibung des physikalischen Verhaltens eines elektrischen Bauteils oder einer Baugruppe. Das Ziel der Modellierung ist es, ein möglichst genaues Bild des tatsächlichen Funktionsverhaltens des zu prüfenden Elements zu liefern. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Simulation neben dem nominalen Verhalten auch verschiedene parasitäre Effekte berücksichtigen. Dies erfordert fortschrittliche Modelle und damit genauere Simulationsergebnisse als die, die mit einem vereinfachten „Abbild“ des Bauteils erzielt werden.

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Drosselmodelle

Spice-Modelle, die in Form von Bibliotheken verfügbar sind, beziehen sich auf einige der neuesten einphasigen und dreiphasigen Gleichtaktdrossel-Familien von Schurter. Dazu gehören zum Beispiel die Ferritdrosseln der Typen DKIH-1, DKIV-1 und DKIH-3. Diese können einfach in ein Standard-Spice-Simulationsprogramm importiert werden, und ihre simulierte Gleichtaktimpedanz (CM) lässt sich mit der realen CM-Impedanz der Drossel vergleichen, die auf dem Produktdatenblatt angegeben ist. Dies geschieht über den gesamten angegebenen Frequenzbereich (von 10 kHz bis 10 MHz) und unter Standardbedingungen (Netz-/Lastimpedanz von 50 Ω).

Modell und Anwendung

Die folgenden Abschnitte enthalten Einzelheiten zur Entwicklung des Drosselmodells und zur Modellvalidierung sowie ein Beispiel für die Anwendung in einer realen Schaltung eines komplexeren Systems, das mit LTSpice simuliert wurde.

Die Drossel

Bild 1 zeigt das Schaltbild einer Drossel. Neben der Nenninduktivität L sind zwei weitere parallel geschaltete Elemente nötig, um die Drossel zu charakterisieren: die Streukapazität der Wicklung C und ein Widerstandsbeitrag R, der proportional zu den Kernverlusten ist (Bild 2). Durch die Hinzufügung neuer Parameter ist es möglich, die mit der Drossel verbundenen parasitären Effekte zu berücksichtigen. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung der simulierten Impedanzkurve und verbessert ihre Übereinstimmung mit der gemessenen Impedanzkurve, wie im nächsten Abschnitt gezeigt wird.

Im Falle einer einphasigen Drossel (z. B. DKIH-1, DKIV-1) besteht das vollständige Modell aus zwei gleichen Induktivitätsmodellen, eines für jede Wicklung der Drossel. Im Falle einer dreiphasigen Drossel (z. B. DKIH-3) werden die drei Wicklungen mit drei gleichen Impedanzmodellen modelliert. Es wurden Modelle für alle Stromstärken modelliert (Version mit Ferritkern). Diese sind auf der Schurter-Website verfügbar.

Modell-Validierung

Die Impedanzkurven für alle Drosseln der Familien DKIH-1, DKIV-1 und DKIH-3 wurden mit einem Vektornetzwerkanalysator gemessen. Die Messungen wurden im Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz durchgeführt, mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen von jeweils 50 Ω. Die im Simulationsmodell verwendeten Parameterwerte wurden zuvor durch direkte Messungen extrapoliert und anschließend geändert, um die Ergebnisse zu verbessern, d. h. die Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Impedanzkurven wurde erhöht. Insbesondere ist L proportional zur Impedanzsteigung bei niedriger Frequenz (ΔL), d. h. vor der Resonanz, während C und R proportional zur Resonanzfrequenz (f_r) bzw. zum Impedanzbetrag bei der Resonanzfrequenz (Z(f_r)) sind. Das Diagramm in Bild 3 zeigt simulierte (grün) und gemessene (rot) Impedanzkurven für die einphasige 16-A-Ferritdrossel der DKIH-Familie. Das Diagramm in Bild 4 zeigt den gleichen Vergleich für eine dreiphasige Drossel der DKIH-3-Familie (Simulation grün, Messung rot).

Verwendung der Modelle

Während der Entwurfsphase eines elektronischen Systems möchte der Entwickler in der Regel die Leistung einer Drossel bewerten, bevor er überhaupt ein Muster getestet hat. Der Zugang zur Drossel-Spice-Bibliothek von Schurter hilft ihm, die beste Wahl für seine Entwicklung zu treffen.

Schurter-Drosseln wurden entwickelt, um Drosseln für eine breite Palette von Endanwendungen in verschiedenen elektrischen Bereichen anzubieten: von Frequenzumrichtern über Ladestationen bis hin zu Schaltnetzteilen (SMPS). In Verbindung mit der weit verbreiteten Spice-Software sind die Spice-Modelle von Schurter ein vielseitiges und nützliches Werkzeug für Entwicklungszwecke.

Bild 5 zeigt die vereinfachte Darstellung eines Abwärtswandlers, der mit LTSpice bei einer Eingangsspannung von 10 V simuliert wurde und ein künstliches Netz (LISN) und einen MOS-Transistor enthält.

Die Komponenten werden unter Berücksichtigung realer parasitärer Effekte modelliert, die zu Rauschbeiträgen führen, die den erwarteten Signalen überlagert sind. Insbesondere die Eingangsspannung wird durch ein gewisses Rauschen beeinflusst, wie bei der Betrachtung des Knotens V_a zu erkennen ist (Bild 6). In unserem Beispiel kann der Kunde eine Drossel zwischen dem LISN und dem Schaltnetzteil installieren, um die Amplitude des Eingangsrauschens zu verringern. In diesem Fall könnte die 10-A-Drossel der DKIH-1-Familie die beste Wahl sein, da sie mit dem verfügbaren Platz kompatibel ist. Beim Herunterladen die DKIH-1-Spice-Bibliothek von der Schurter-Website werden zwei Dateien gemeinsam genutzt.

In beiden Fällen handelt es sich um die DKIH-1-Familie, die Modelle für alle Elemente (nur Ferrit-Version) enthält, und das Symbol der Produktfamilie, d.h. das Schaltungselement selbst, das die Drossel darstellt, die in die Schaltung geladen werden soll. Nach dem Herunterladen der LTSpice-Software wird ein spezieller Ordner im Ordner „Dokumente“ in Windows erstellt. Er wird unter dem Pfad C:\benutzer\*Benutzername*\Dokumente\LTspiceXVII gespeichert, der je nach Betriebssystem und heruntergeladener Softwareversion variieren kann. Nach dem Übertragen der in Bild 7 gezeigten Dateien in die Unterordner lib\sub und lib\sym kann der Kunde das Drosselsymbol in seine eigene Schaltung importieren (Bild 8), es ordnungsgemäß mit anderen Schaltungselementen verknüpfen und über ein Drag-and-Drop-Menü ein bestimmtes Element der Familie auswählen (Bild 9). Im obigen Beispiel wird das Eingangsrauschen durch das Hinzufügen des Ferritdrosselmodells DKIH-1 10 A deutlich reduziert (Bild 10).

Modelle ermöglichen genaue Simulation

Mit diesen fortschrittlichen Simulationsmodellen ist es möglich, die Wirkung einer Gleichtaktdrossel, die in einer elektrischen Schaltung mit elektrischen Rauschproblemen verwendet wird, sehr genau zu simulieren. Der Service von Schurter soll dem Kunden helfen, die beste Lösung für sein Problem zu finden, bevor er einen realen Drosselprototyp testet.

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