Rechnergestützte Signal-Integritäts- und EMV-Analysen

EMV für Leiterplatten

Moderne Algorithmen im Bereich der Signal-Integritäts- und Abstrahlungsanalyse für Leiterplatten schließen die Lücke zwischen regelbasierten Entwurfssystemen und einer auf feldtheoretischen Ansätzen basierenden Simulation.

Heute werden schnelle digitale Baugruppen in allen Bereichen des Elektronik-Entwurfs eingesetzt. Somit ergibt sich die Notwendigkeit, entsprechende Analysewerkzeuge nicht nur für wenige technische Experten bereitzustellen, sondern sie einer großen Zahl von Anwendern ohne spezialisiertes EMV-Wissen zugänglich zu machen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Benutzeroberfläche, das Datenmanagement und die Ergebnisaufbereitung.

Anforderungen
Es ist nicht notwendig einen einzelnen EMV-Effekt mit höchster Genauigkeit bis ins Detail zu analysieren. Statt dessen ist die Auswertung von design-relevanten Kenngrößen (wie z. B. Flight-Time oder max. Überschwingen) möglichst mit Rückschluss auf potentielle Design-Probleme gefragt. Analysen müssen weitgehend automatisiert werden, ohne dass detaillierte Kenntnisse zu Simulationsverfahren o. ä. erforderlich sind. Es ist notwendig, komplette Flachbaugruppen mit tausenden von Verbindungen in kurzer Zeit zu analysieren.
Bezogen auf die Analyse der Signal-Integrität können diese Anforderungen z. B. durch eine Frequenzbereichssimulation gelöst werden. Bei einer solchen Analyse entfällt der hohe Rechenaufwand für die numerische Integration im Zeitbereich. Integrationsfehler-Abschätzung und Zeitschrittweiten-Steuerung sind dann nicht notwendig. Statt dessen ist für eine vorher festzulegende Zahl von Oberwellen ein lineares Gleichungssystem zu lösen. Dies kann sehr schnell und effizient geschehen.
Aber ein solches Vorgehen hat natürlich seinen Preis: So kann auf diese Weise nur das lineare Verhalten der digitalen Ein- und Ausgangsstufen berücksichtigt werden, nichtlineare Eigenschaften werden vernachlässigt. Die Genauigkeit der Kurvenverläufe kann jedoch entsprechend der vorhergehenden Diskussion reduziert werden, solange design-relevante Parameter sinnvoll abstrahiert werden können. Und für derartige Parameter stellt die Linearisierung des Buffer-Verhaltens eine Art Worst-Case Annahme dar.

Moderne Algorithmen
Die in der Vergangenheit häufig vorgenommene Analyse der Signalströme bei Annahme eines idealen Versorgungssystems (Differential Mode) vernachlässigt wesentliche Effekte, so dass eine auf Ergebnissen einer solchen Analyse basierende, schnell zu realisierenden Abstrahlungsberechnung nicht in Betracht kommt. Der Einsatz von 3D Field Solvern zur Lösung der Maxwellschen Gleichungen verbietet sich aber aufgrund des benötigten Experten-Wissens zur Parametisierung eines solchen Werkzeuges. Einen Ausweg bieten moderne Algorithmen, wie sie von dem „EMC Expert System Consortium“ unter Führung der Universität Missouri Rolla entwickelt werden (siehe Internet: www.emclab.umr.edu/consortium). Diese Algorithmen basieren auf einem Vorgehen ähnlich dem eines EMC-Experten.
Hier werden die relevanten Effekte zunächst grob im Common Mode- und Differential-Mode bezogenen Abstrahlungsgrößen unterteilt. Dann werden sequentiell für alle Objekte der Flachbaugruppe die Beiträge zu den beiden Abstrahlungsmoden ausgewertet und abschließend zu einem Gesamt-Spektrum aufsummiert. Hierbei kommen kleine, kompakte Algorithmen zum Einsatz, die auf physikalisch begründeten Näherungen basieren. Dieses Vorgehen soll kurz für die Common Mode Stecker – Stecker Kopplung skizziert werden. Hier wird zunächst die Summe aller Signal-Rückströme sowie die Induktivität des Versorgungssystems abgeschätzt. Basierend hierauf kann dann eine Common Mode Spannungsverteilung auf diesem System bestimmt werden. In einer Schleife über alle Stecker-Stecker-Paare wird abschließend die durch die Common Mode Spannungsdifferenz stimulierte Abstrahlung für diese als Dipol-Antenne wirkenden Paare ermittelt, wobei angenommen wird, dass Kabel an den Steckern angeschlossen sind.
Diese auf Partitionierung und kompakten Abschätzungsalgorithmen basierende Vorgehensweise bietet zwei wesentliche Vorteile. Zum einem ist es auf diese Weise möglich, alle relevanten Abstrahlungseffekte für eine komplette Leiterplatte (und nicht nur für eine ausgewählte Struktur) abzuschätzen. Des Weiteren ist es aufgrund der Partitionierung aber auch möglich, die Design-Objekte zu identifizieren, die den wesentlichen Beitrag zu der Abstrahlung liefern, so dass die vorne genannte Forderung nach der Abstraktion der Analyse-Ergebnisse auf Design relevante Parameter erfüllt wird. Damit ist die Basis für ein zielgerichtetes Re-Design zur Verbesserung der EMV gelegt.

Hilfreiche Spread Sheets
Um ein erkanntes Problem auf die hierfür verantwortlichen Design-Fehler zurückführen zu können, bieten sich hierarchisch organisierte Spread Sheets an. Durch die Konfiguration des Spread Sheet in verschiedene Views ist es möglich, die analysierten Effekte den einzelnen Design-Objekten übersichtlich zuzuordnen und bei möglichen Problemen schnell auf die Fehlerursache zu schließen. So können bei Bedarf zu den jeweiligen Design-Objekten weitere Informationen gelistet werden.
In der Tabelle (Bild 1) ist nicht nur der eigentliche Effekt „max Überschwingen bei steigender Signalflanke“ sondern auch weitere, diesen Effekt beeinflussende Parameter wie Leitungslänge, max. Leitungsdiskontinuität und Anzahl sowie Technologie der angeschlossenen Bauteile aufgeführt. Schließlich wird „auf Knopfdruck“ auch das eigentliche Simulationsergebnis visualisiert. Neben der komprimierten Informationsdarstellung bieten Spread Sheets aber auch den Vorteil einer guten Weiterverarbeitbarkeit.
Mit dem EMC-Engineer liegt ein erstes Werkzeug dieser neuen Generation vor. Mit neu entwickelten Algorithmen können selbst komplexe Leiterplatten in kurzer Zeit bezüglich ihrer Signal-Integrität sowie ihres EMV-Verhaltens beurteilt werden. Spread Sheet-basierte, klar strukturierte Oberflächen erlauben es einer breiten Anwenderschicht, nicht nur entsprechende Probleme zu lokalisieren, sondern auch konstruktive Maßnahmen zur Beseitigung abzuleiten.

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Bildtext:
SI-Netz-Sicht des EMC-Engineers von Incases Engineering.