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Elektromagnetische Verträglichkeit eines instrumentierten Rotorblattes
(Aachen : Apprimus, 2016) Berndt, Olaf; Wieland, Birgit; Przybilla, Michael; Hampe, Matthias
In dieser Arbeit wird der Einfluss eines Blitzeinschlages auf Messsensoren und Messleitungen untersucht, die sich im Rotorblatt einer Windkraftanlage befinden. Weiterhin wird die Wirksamkeit wichtiger Schutzmaßnahmen beurteilt, insbesondere die Verdrillung oder Schirmung von Signalleitern. Abschließend wird der Trennungsabstand analytisch berechnet, bei dem kein Überschlag vom Schutzleiter auf die vorhandenen Signalleiter mehr erfolgt.
Effizientes Netzwerkmodell zur Breitbandsimulation der Feldeinkopplung auf inhomogenen Leitungen
(Aachen : Apprimus, 2016) Südekum, Sebastian; Mantzke, Andreas; Leone, Marco
Das Hochfrequenzverhalten elektrischer Leitungen unter dem Einfluss eines äußeren elektromagnetischen Feldes ist ein wichtiger Teil der EMV-Analyse, da die Signalund Versorgungsintegrität elektrischer Systeme stark durch die induzierten Ströme und Spannungen beeinträchtigt werden können (Abb. 1). Zur quantitativen Beurteilung des Verhaltens wurden in den letzten Jahren zahlreiche Modelle für den Spezialfall der homogenen Leitung mit linearer und nichtlinearer Beschaltung entwickelt (z.B. [1], [2]). In der Praxis treten aber auch häufig inhomogene Leitungsstrukturen (z.B. eine durchhängende Freileitung) auf, wobei die Anzahl der Modelle hierfür deutlich geringer ist. Viele Ansätze beschränken sich auf den Frequenzbereich und ein transientes Systemverhalten wird dabei durch eine IFFT ermittelt ([3], [4]), was die Verwendung nichtlinearer Bauelemente ausschließt. In diesem Beitrag wird das modale Ersatzschaltbild einer inhomogenen Leitung aus [5] durch modale Quellen erweitert, welche den Einfluss des einkoppelnden elektromagnetischen Feldes berücksichtigen. Durch eine quasistatische Analyse kann die Konvergenz des Modells beschleunigt werden, sodass die begrenzte Anzahl der Parallelschwingkreise sicher abgeschätzt werden kann. Da die Netzwerkparameter im Allgemeinen nicht analytisch vorliegen, werden diese mit Hilfe der Methode der Finiten Differenzen numerisch bestimmt. Das resultierende inhärent stabile Netzwerkmodell wird anhand eines transienten Beispiels mit nichtlinearer Beschaltung durch ein kommerzielles Feldberechnungsprogramm, welches durch eine aufwendige 3D-Vollwellensimulation, den Vector Fitting Algorithmus und anschließender Reduktion der Modellordnung ebenfalls ein Ersatzschaltbild aufstellt [6], validiert.
Effiziente FEM-basierte Ermittlung der Ersatzschaltbildelemente für beliebig berandete Versorgungslagen in Leiterplatten
(Aachen : Apprimus, 2016) Bednarz, Christian; Leone, Marco
Für die Modellierung des Hochfrequenzverhaltens paralleler Versorgungslagen in Leiterplatten wurde ein effizientes Ersatzschaltbild in [1] vorgestellt. Es basiert auf einer stabilen FosterDarstellung mit einer relativ geringen, gut abschätzbaren Anzahl von modalen Schwingkreisen und einem gekoppelten induktiven Netzwerk zur Konvergenzbeschleunigung. Zur Bestimmung der Schaltelemente für eine beliebig geformte Struktur müssen die Eigenfunktionen, Eigenwerte und die statischen Induktivitäten numerisch ermittelt werden. Zu diesem Zweck wurde zuerst eine auf einem homogenen gleichförmigen Netz basierende Finite-DifferenzenMethode (FDM) implementiert [1]. Um eine hinreichende Genauigkeit zu erreichen, muss die Struktur sehr fein diskretisiert werden. Speziell komplexe Geometrien benötigen einen hohen Modellierungsund Rechenaufwand. In diesem Beitrag stellen wir einen wesentlich effektiveren Finite-Elemente-Ansatz (FEM) vor, welcher auf einem Netz aus Dreieckselementen beruht und somit eine Modellierung mit erheblich weniger Aufwand gestattet. Zusätzlich wird dadurch eine gezielte lokale Netzverfeinerung ermöglicht, was besonders in der Nähe der kleinen kreisrunden Via-Ports von Vorteil ist. Die Ergebnisse werden durch Hochfrequenzmessungen und 3D-Vollwellensimulationen sowohl im Frequenzals auch im Zeitbereich validiert.
Verminderung der magnetischen Nahfeldeinkopplung auf Leiterplattenebene durch reziproke Systemanalysen
(Aachen : Apprimus, 2016) Mantzke, Andreas; Leone, Marco; Fischer, Thomas
Die Untersuchung hinsichtlich der elektromagnetischen Störfestigkeit ist ein Schwerpunkt des EMV-gerechten Leiterplatten (PCB) Designs. Die infolge der fortschreitenden Miniaturisierung stetig kleiner werdenden PCBs weisen immer mehr Intrasystemstörungen auf und bedürfen daher einer sorgfältigeren Betrachtung. Durch den limitierten Platz und aus Kostengründen können konventionelle EMV-Maßnahmen wie z.B. Schirmungen nicht verwendet werden. Darüber hinaus ist häufig die magnetische Nahfeldeinkopplung bei niedrigen Frequenzen ein schwerwiegendes Problem, da durch Masseebenen keine signifikante Emissionsminderung erreicht werden kann. In der Literatur [1] [4] werden einige Verfahren beschrieben, die die magnetische Einkopplung reduzieren können. Jedoch beziehen sich diese Methoden oft auf das (magnetische) Übersprechen zwischen zwei benachbarten Leitungen, was durch sog. GuardTraces erfolgreich bei hohen Frequenzen gedämpft werden kann. Zur Abschirmung eines starken einfallenden Magnetfeldes bei relativ niedrigen Frequenzen können Materialien wie Stahl, Mu-Metall oder Superpermalloy verwendet werden. Ein typisches, praxisnahes Beispiel für magnetische Intrasystemstörungen tritt bei Mixed-SignalSchaltungen schon bei relativ kleinen Frequenzen auf. Das in der Regel breitbandige digitale Rauschen koppelt dabei in die analoge Schaltung ein und kann zu erheblichen PerformanceEinbußen führen. Für eine umfassende Analyse und Optimierung muss Simulationssoftware verwendet werden, die sich mittlerweile in vielen PCB-Designprozess etabliert hat. Jedoch hat man damit nur die grundsätzliche Möglichkeit verschiedene PCB-Layouts durch einen „Trial and Error“ Prozess zu optimieren. Die eigentliche Ursache der magnetischen Feldeinkopplung bleibt unbekannt, was der Komplexität der untersuchten PCBs geschuldet ist. In diesem Beitrag wird eine Methodik präsentiert, die eine Analyse und Reduktion der magnetischen Nahfeldkopplung auf PCB-Ebene erlaubt. Während die eigentlichen Störquellen durch einen Nahfeldscan [5] oder 3DFeldsimulation identifiziert werden, wird deren Reduktion durch das Reziprozitätsprinzip beschrieben. Die Einschränkung der Methodik besteht darin, dass die relevanten PCBStrukturen elektrisch klein in Bezug auf die kleinste Wellenlänge sind und als lineares System interpretierbar sein müssen, um die Reziprozität zu gewährleisten. Als Anwendungsbeispiel wird die PCB eines kommerziellen Hörgeräts (Abb. 1) betrachtet. Die Untersuchungen wurden mithilfe eines 3D-Feldsimulationsprogramms analog zu [6] durchgeführt, da ein Nahfeldscan der Struktur infolge des komplexen 3D-Designs nicht praktikabel war. Nichtsdestotrotz wurden Nahfeldscans an der planaren Platine durchgeführt, um die Quellregionen des störenden Magnetfeldes zu verifizieren. Moderne Hörgeräte beinhalten diverse getaktete Signalverarbeitungsund Verstärkerblöcke in einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis (ASIC). Außerdem werden integrierte Funksysteme für die Kommunikation zwischen den Ohren (e2e) oder zur körperfernen Kommunikation mit Zubehöroder Mobilgeräten verwendet. Im betrachteten Fall liegt ein ultra-leistungsarmes magnetisches Nahfeldkommunikationssystem vor mit einer Resonanzfrequenz von fres = 3.3MHz und einer Ferritstabspule. Jegliche magnetische Störeinkopplung während des Signalempfangs vermindert die Sensitivität des Empfängers. Die getakteten Signale des ASICs erzeugen in Kombination mit den Entstörkondensatoren und Zuleitungen Magnetfelder, die in die Ferritstabspule einkoppeln. Da die PCB nur wenige Zentimeter groß ist, kann sie in Bezug auf die Resonanzfrequenz fres als elektrisch klein angesehen werden. Da die Spule ausschließlich mit einem Kleinsignal betrieben wird, treten keine nichtlinearen Sättigungserscheinungen auf. Außerdem wird der digitale Signalverarbeitungs-ASIC als lineare Störstromquelle innerhalb eines vereinfachten ASIC-Modells (Makromodell) betrachtet. Somit können die koppelnden Schaltungsteile als linear angenommen werden und mithilfe des Reziprozitätsprinzips betrachtet werden.
Verringerung der Abstrahlung von Leiterplatten durch optimierte leitungsbasierte Spannungsversorgung
(Aachen : Apprimus, 2016) Müller, Sebastian; Zhang, David, C.; Swaminathan, Madhavan
Aufgrund der weiten Verbreitung elektronischer Komponenten in modernen technischen Systemen ist die Abstrahlung von Leiterplatten ein Aspekt der EMV, der in vielfältigen Anwendungsgebieten eine Rolle spielt – von klassischen Einsatzbereichen in Computern und Servern bis hin zu komplexen Systemen wie Autos und Flugzeugen. Abhängig vom jeweiligen System können Standardmaßnahmen zur Reduzierung der Abstrahlung – insbesondere eine zusätzliche Abschirmung – aus Kostenoder Gewichtsgründen nicht oder nur eingeschränkt durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist es von großer Wichtigkeit, den Aspekt der Abstrahlung von Leiterplatten im Entwurf und in der Analyse elektronischer Komponenten von Beginn an mit zu berücksichtigen. Gleichzeitig führt gerade der technologische Fortschritt, der die weite Verbreitung elektronischer Komponenten ermöglicht hat, zu neuen Herausforderungen. Ein Beispiel dafür ist die kontinuierlich abnehmende Strukturgröße in der CMOS-Technologie, die immer höhere Anforderungen an die Spannungsversorgung stellt [1], wie in Abschnitt 2 ausführlicher diskutiert. Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit lassen sich die Herausforderungen im Entwurf elektronischer Systeme in drei Hauptgebiete einteilen: Powerintegrität (PI), Signalintegrität (SI) sowie die Wechselwirkung mit anderen Systemen durch abgestrahlte oder leitungsgebundene Störungen (englisch: EMI). Obwohl sich diese drei Teilgebiete sowohl in ihren Zielsetzungen als auch in den jeweils angewandten Methoden unterscheiden, sind sie eng miteinander verbunden. Maßnahmen, die getroffen werden, um das Systemverhalten in einem der Bereiche zu verbessern, werden sich typischerweise auch auf die anderen beiden Bereiche – positiv oder negativ – auswirken. Aus diesem Grund sollten Powerintegrität, Signalintegrität und EMI stets gemeinsam analysiert werden und Lösungen gefunden werden, die das Systemverhalten möglichst in allen drei Bereichen verbessern. Der vorliegende Beitrag soll ein Beispiel für eine solche kombinierte Betrachtung der drei Bereiche der elektromagnetischen Verträglichkeit liefern. Der Beitrag ist folgendermaßen strukturiert: Abschnitt 2 beschreibt die bereits erwähnten Herausforderungen im Hinblick auf die Spannungsversorgung moderner elektronischer Systeme. Abschnitt 3 stellt das Konzept einer leitungsbasierten Spannungsversorgung als möglichen Lösungsansatz vor. In Abschnitt 4 wird eine Analyse durchgeführt, die die Eigenschaften einer Teststruktur mit leitungsbasierter Spannungsversorgung mit denen einer Teststruktur mit konventioneller Spannungsversorgung vergleicht und Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Versorgungsspannung, Signalqualität und Abstrahlung der Leiterplatte erlaubt.

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