EMV-Verständnis durch Simulation

Simulation leitungsgebundener Störungen in Leistungselektronik

| Autor / Redakteur: Christian Römelsberger * / Sebastian Gerstl

Das simulierte und das gemessene Emissionsspektrum eines SEPIC-Wandlers: Durch die Visualisierung der Emussionen elektronischer Baugruppen erlaubt die ANSYS Electromagnetics Suite, mögliche Störsignale und Fehlerquellen ausfindig zu machen.
Das simulierte und das gemessene Emissionsspektrum eines SEPIC-Wandlers: Durch die Visualisierung der Emussionen elektronischer Baugruppen erlaubt die ANSYS Electromagnetics Suite, mögliche Störsignale und Fehlerquellen ausfindig zu machen. (Bild: CADFEM)

Teil 2 der Serie zu besserem EMV-Verständnis durch Simulation: Um Emissionen elektronischer Baugruppen näher bestimmen zu können, bietet die ANSYS Electromagnetics Suite einige Möglichkeiten.

In Teil 1 der Serie wurde gezeigt, wie elektromagnetische Feldsimulation behilflich ist, EMV-Schirmmaßnahmen schon in einer frühen Designphase zu testen, ihre Einschränkungen zu verstehen und optimale Schirmkonzepte zu finden. In diesem zweiten Artikel soll nun darauf eingegangen werden, welche Möglichkeiten die ANSYS Electromagnetics Suite bietet, um Emissionen elektronischer Baugruppen zu bestimmen.

Damit können zuverlässige Vorhersagen über das Verhalten eines realen Schaltungsaufbaus gemacht werden, die weit über Leiterplatten-Design-Rules hinausgehen. Somit lassen sich Tests durchführen und Schwächen des Layouts erkennen und beseitigen. Zudem kann abgeschätzt werden, welche Schirmmaßnahmen notwendig sind. Zusätzlich lassen sich mit Simulationen auch schwer bzw. praktisch gar nicht messbare Größen darstellen, um ein tiefer gehendes Verständnis zu erlangen, das für Designverbesserungen oft benötigt wird.

Elektromagnetische Störungen werden durch mehrere Effekte und deren Wechselspiel hervorgerufen. Um dies zu illustrieren, sollen die Emissionen eines DC-DC-Wandlers (Schaltnetzteil) betrachtet werden (Bild 1). DC-DC-Wandler finden in der Elektronikentwicklung vielseitige Anwendung. Sie dienen zum effizienten Wandeln von Gleichspannungen und Gleichströmen und werden in vielen elektronischen Baugruppen zur lokalen Stromversorgung verwendet. Sie kommen beispielsweise aber auch in Fahrzeugen zum Einsatz, um Energie zwischen verschiedenen Boardnetzen oder zwischen Batterie und Boardnetz zu transportieren.

Je nach Verwendungszweck gibt es Schaltnetzteile mit verschiedenen Topologien, unter anderem Step-up, Step-down, SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter), Ćuk oder Flyback. Die Funktionsweise eines Schaltnetzteils basiert wie viele leistungselektronische Schaltungen auf Schaltern (Leistungstransistoren wie MOSFETS oder IGBTs), die schnell getaktet ein- und ausgeschaltet werden, Dioden als Ventile und Kapazitäten und Induktivitäten als Energiespeichern.

Im einfachsten Fall eines Step-Up- beziehungsweise eines Step-Down-Wandlers wird, wenn der Schalter geschlossen ist, eine Induktivität mit magnetischer Energie geladen. Wenn der Schalter dann geöffnet wird, treibt die Induktivität Strom durch eine Diode, die als Ventil dient. Bei anderen Topologien wie SEPIC, Ćuk oder Flyback sind oft mehrere Energiespeicher beteiligt. Das Funktionsprinzip ist aber sehr ähnlich. Die Ausgangsspannung kann über die Pulsweite des Schalters geregelt werden.

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