Verbessertes EMV-Verständnis durch Simulation

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Auch leitungsgebundene Störungen vermindern

Im Kilohertz- und Megahertz-Bereich breiten sich Störungen oft auch leitungsgebunden aus. Um die Ausbreitung dieser Störungen zu vermindern, werden meist Filter verwendet, die mit Hilfe von Bauelementen am Ein- und Ausgang der Schaltungen aufgebaut werden. Oft sind dies Tiefpassfilter mit Pi-Topologie. Die Effektivität dieser Filter hängt zum einen von der Wirksamkeit der idealisierten Schaltung des Filters ab. Hierbei muss der Filter auf die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen angepasst sein. Zum anderen beeinflussen bei höheren Frequenzen auch die realen physikalischen Eigenschaften (parasitäre Effekte) der Bauteile und des Layouts das Übertragungsverhalten von Filtern:

Die Induktivität der Zuleitung eines Kondensators (ESL) führt zu einer Resonanz des Kondensators. Ab dieser Resonanzfrequenz verhält sich das Bauteil hauptsächlich induktiv.

Die kapazitive Kopplung zwischen Spulenwindungen führt zu Resonanzen von Induktivitäten, ab denen die Bauteile ihr Verhalten wesentlich ändern.

Kapazitive und induktive Kopplungen zwischen Netzen im Schaltungslayout können auch zur Umgehung von Filtern bei hohen Frequenzen führen.

Die ANSYS Electromagnetics Suite erlaubt es, das Übertragungsverhalten eines Layouts mit Hilfe einer Feldsimulation zu bestimmen, in der die passiven Bauteile als konzentrierte Elemente eingebaut sind. Die frequenzabhängigen Impedanzen der passiven Bauteile können dabei zum Beispiel mit Hilfe eines Netzwerkanalysators gemessen und dann als Touchstone File an die Simulation übergeben werden. Auf diese Weise wird das reale Übertragungsverhalten eines Filters mit dem virtuellen Prototypen überprüft. Koppelpfade lassen sich anhand von Stromdichteverteilungen auf der Platine erkennen, sodass ein entsprechendes Filterlayout mit einer passenden Bestückung schon beim virtuellen Prototypen überprüfbar ist.

Simulation schon in frühen Designphasen

In diesem ersten Teil der Artikelserie über EMV-Simulation wurde aufgezeigt, wie ANSYS Simulationswerkzeuge schon in einer frühen Designphase der Elektronikentwicklung verwendet werden können, um EMV-Problemen vorzubeugen. Hierbei wurde spezielles Augenmerk auf die Schirmung von feld- und leitungsgebundenen Störungen gelegt. Im zweiten Teil der Serie wird dargestellt, wie auch realistische elektronische Signale simuliert werden können. Auf diese Weise lässt sich das Verhalten von Systemen wie Schaltnetzteile, Wechselrichter oder digitale Hochgeschwindigkeitsdatenbusse besser verstehen und damit auch optimieren.

* Christian Römelsberger ist Experte im Bereich der hochfrequenten elektromagnetischen Simulation bei CADFEM.

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