EMI-Filtersimulation zur Rauschunterdrückung mit AD20 und Altium 365

Zachariah Peterson
|  Created: October 23, 2020  |  Updated: February 1, 2021
EMI-Filtersimulation zur Rauschunterdrückung mit AD20 und Altium 365

Für das Design und die Bewertung Ihres neuen Produkts sind mehrere Simulationsläufe erforderlich, insbesondere, wenn Sie eine extrem stabile Leistungsregelungsstrategie entwickeln müssen. Ein wesentlicher Bewertungsschritt für Netzteile ist eine EMI-Filtersimulation. Dies kann die Simulation von Gaußschem Zufallsrauschen direkt im Frequenzbereich beinhalten oder die Analyse des Frequenzgangs einer Schaltung, um festzustellen, wo leitungsgebundene/ausgestrahlte Störungen eine starke Reaktion in der Schaltung hervorrufen können.

In einer echten EMI-Filtersimulation für Netzteile müssen Sie untersuchen, wie parasitäre Elemente und Kopplung zwischen reaktiven Komponenten eine komplexe Übertragungsfunktion mit mehreren Resonanzen erzeugen. Da wir sicherstellen wollen, dass der EMI-Filter nur die 60-Hz-AC-Netzspannung und Gleichstrom durchlässt, müssen wir wissen, wie ein echter EMI-Filter modifiziert werden muss, um ein Tiefpassverhalten zu erzeugen.

Das Design solcher Systeme kann kompliziert werden und erfordert oft mehrere Mitarbeiter, die gemeinsam am Projekt arbeiten. Wenn Sie mit anderen gemeinsam an einem Projekt arbeiten müssen, können Sie die Funktionen für Sharing und Managed Content in Altium 365® verwenden, um Daten sicher mit Ihrem Team zu teilen. Ihre Schaltpläne, Simulationsdaten, Bauteilmodelle und alle anderen benötigten Daten in Ihrem Projekt können problemlos freigegeben werden, nachdem Sie Ihr Design in Altium Designer qualifiziert haben. So sieht Ihr Simulationsarbeitsablauf aus, wenn Sie Altium Designer mit der Altium 365-Plattform verwenden.

EMI-Filtersimulationen aus Ihren Schaltplänen

Die Erstellung einer EMI-Filtersimulation ist einfach, wenn Sie einen Schaltplan-Editor mit einem integrierten SPICE-basierten Simulator verwenden. Mit der einheitlichen Umgebung in Altium Designer können Sie sofort analoge Simulationsergebnisse in dem Zeit- oder Frequenzbereich generieren. Wenn Sie sich noch in der Design-Qualifizierungsphase befinden, erstellen Sie einfach den Schaltplan mit der Miscellaneous Devices Library, auf die Sie über das Components Panel zugreifen können. Sie können auch benutzerspezifische Simulationsmodelle erstellen und diese als benutzerspezifische Bauteile für die Verwendung in einer EMI-Filtersimulation importieren.

Das Bild unten zeigt meinen Schaltplan für eine EMI-Filtersimulation. Nach der Spannungsquelle wird ein Eingangsfilter platziert, der dann mit einer Ferritperle (L1) zwischen einem Filterkondensator (C1) und einem RC-Shunt-Netzwerk (C2) verbunden wird. Für eine zusätzliche AC-Filterung sind zwei Ausgabekondensatoren (C3 und C4) enthalten. Hier habe ich einige typische ESL-Werte in Kondensatoren C1-C4 sowie parasitäre Kapazität und Parallelwiderstand für das Ferritperlenmodell einbezogen. Beachten Sie, dass die ESR-Werte für die Kondensatoren ignoriert wurden, da sie sich in der Regel im MilliOhm-Bereich befinden und damit in dieser Simulation keine Auswirkungen haben.

EMI filter simulation schematic
Schaltplan für EMI-Filtersimulation

Der Ausgang meines EMI-Filters ist mit einer 1 MOhm-Last verbunden. Hier untersuchen wir, wie ein 60-Hz-AC-Signal aus dem Netz und jegliches hochfrequentes, überlagertes Rauschen (ob ausgestrahlt, Ripple oder leitungsgebunden) von diesem EMI-Filter beeinflusst wird. Dies kann auf zwei Arten durchgeführt werden:

  1. Durch Erzeugen von zufälligem Rauschen im Zeitbereich und Durchführen einer Transientenanalyse, um festzustellen, wie sich dieses Rauschen am Ausgang ausbreitet. 
  2. Durch Untersuchen des Verhaltens der Schaltung im Frequenzbereich und Verwenden der Übertragungsfunktion des EMI-Filters, um Resonanzen aufgrund von gekoppelten parasitären Elementen in der Schaltung zu identifizieren.

Hier wähle ich den letzteren Ansatz, da die oben angezeigte Schaltung rein linear ist und somit die Übertragungsfunktionen für alle AC-Signale gut definiert sind.

Schritt 1: Identifizieren der Resonanzen

Das Bild unten zeigt die Ergebnisse eines ersten Frequenzdurchlaufs von DC bis 1 MHz. Ich habe die untere Grenze auf der X-Achse zur Verdeutlichung auf 1 kHz eingestellt. Die grobe Simulation zeigt das Ausgangssignal, bei einer Eingangs-AC-Sinuswelle von 50mV und identifiziert die Resonanzen in diesem EMI-Filter. Da wir Breitbandrauschen, das z. B. durch einen nachgeschalteten Schaltregler oder einen Gleichrichter verursacht wird, herausfiltern möchten, wollen wir diese Resonanzen identifizieren und sie in größtmöglichem Umfang dämpfen.

EMI filter simulation: initial frequency sweep results.
EMI-Filtersimulation: Erste Ergebnisse des Frequenzdurchlaufs

In den oben aufgeführten Ergebnissen habe ich die Komponenten identifiziert, die für die Erzeugung dieser großen Resonanzen verantwortlich sind. Diese Resonanzen zeigen Ihnen, welche Störkomponenten (spezifische Frequenzen) eine große Spannungsspitze am Ausgang erzeugen können. Die Resonanz bei ~22 kHz ist ziemlich dramatisch und zeigt eine Verstärkung von ~10. Mit anderen Worten, Schmalbandrauschen, das sich mit dieser speziellen, kleinen Resonanz von 1uV überschneidet, kann bei einer Messung in derselben Bandbreite zu einem Anstieg von 50 mV am Ausgang führen. Dies würde ausreichen, um die zulässige Welligkeit am Ausgang zu überschreiten. Darüber hinaus könnten alle vom Gleichrichter generierten Schaltgeräusche oder Harmonischen höherer Ordnung diese Resonanz beleben, was zu starkem Rauschen in einer EMI-Messung mit einer Nahfeldsonde führen würde.

Die C1-Resonanz ist groß genug, dass sie durch Hinzufügen eines RC-Nebenschlusses parallel zu C1 (vor L1) oder durch Hinzufügen eines Vorwiderstands mit C1 gedämpft werden kann. Die L1-Resonanz und die C3- + C4-Resonanz können auf die gleiche Weise gedämpft werden: Fügen Sie einfach einen Vorwiderstand für diese beiden Netzwerke hinzu.

Schritt 2: Dämpfung der C1-Resonanz

Die C1-Resonanz im oben dargestellten Diagramm kann durch Hinzufügen eines kleinen Vorwiderstands gedämpft werden. Die Ergebnisse des Frequenzdurchlaufs für den Fall eines Vorwiderstands von 1 kOhm im C1-Abschnitt des Filters sind unten angezeigt. Wir können klar erkennen, dass dieser zusätzliche Vorwiderstand die C1-Resonanz derart dämpft, dass sie nicht mehr in der Übertragungsfunktion des Filters sichtbar ist. Jetzt haben wir jedoch ein neues Problem verursacht: die Resonanz von ~550 kHz wurde nun um ~10 bedeutend verstärkt. Dies geschieht aufgrund der Kopplung zwischen reaktiven Komponenten und deren parasitären Elementen, was ein typisches Verhalten in nichttrivialen Schaltungen mit mehreren reaktiven Komponenten ist. Ein gutes Beispiel dafür finden Sie in diesem Artikel.

Adding damping in an EMI filter simulation
Ergebnisse der EMI-Filtersimulation für die Dämpfung der C1-Resonanz

Schritt 3: Dämpfung von 20-kHz- und 550-kHz-Resonanzen

Um die restlichen Resonanzen zu dämpfen, versuche ich einen Vorwiderstand zwischen L1 und C3 hinzuzufügen. Wie wir sehen werden, braucht es dazu nur einen sehr kleinen Widerstand, um die erforderliche Dämpfung zu erzielen. Idealerweise sollten Sie den kleinstmöglichen Widerstand verwenden, da Sie diese Resonanzen ohne Spannungsabfall dämpfen möchten. Der modifizierte Schaltplan mit einem Vorwiderstand (RD) von 10 Ohm ist unten angezeigt.

Adding damping with resistors in an EMI filter simulation schematic
Modifizierter Schaltplan mit zusätzlichen Vorwiderständen.

Hier verwende ich einen parametrischen Durchlauf, um den Wert von RD zu variieren und den besten Wert für die Dämpfung der 20-kHz- und 550-kHz-Resonanzen zu bestimmen. Wie unten angezeigt, ist nur ein sehr kleiner RD-Wert erforderlich, um beide Resonanzen bedeutend zu dämpfen. Ich habe den RD-Wert von 1 bis 6 Ohm durchlaufen. Es braucht nur wenige Ohm Vorwiderstand, um die 20-kHz-Resonanz vollständig zu dämpfen. Mit diesem zusätzlichen Widerstand wird auch die 550-kHz-Resonanz bedeutend gedämpft.

Adding damping in an EMI filter simulation
Hinzufügen eines Vorwiderstands für stärkere Dämpfung in einer EMI-Filtersimulation

Hier würde ich einen Widerstand von ~2 Ohm wählen, da ich bei der Dämpfung dieser Resonanzen keine Einbußen bei der Leistungsübertragung in Kauf nehmen möchte. Die endgültige Entscheidung basiert auf den EMI-Tests, die dann mit CISPR-Standards zur Bestimmung der EMI/EMC-Compliance verglichen werden müssten.

Schritt 4: Freigabe auf Altium 365

Jetzt, da Sie Ihre EMI-Filtersimulation fertiggestellt haben, können Sie diese in den Arbeitsbereich von Altium 365 verschieben und sie mit Ihren Mitarbeitern teilen. Alle Mitglieder Ihres Teams können auf den Schaltplan mit Ihrem EMI-Filtermodell zugreifen und können ihre eigenen Simulationen in Altium Designer durchführen. Die Mitarbeiter müssen keine E-Mails hin und her senden, um Designdaten auszutauschen, wenn Sie Altium 365 für die Freigabe und die Zusammenarbeit verwenden.

Zusammenfassung

Zusammenfassend ausgedrückt, wir haben Altium Designer für die Erstellung und Ausführung einer EMI-Filtersimulation genutzt und die Ergebnisse auf Altium 365 zur Verfügung gestellt. Nachdem das Projekt offiziell freigegeben wurde, können Ihre Mitarbeiter die SDF-Datei mit den Simulationsergebnissen herunterladen und ihre eigenen Analysen durchführen.

Beim Betrachten der Ergebnisse des Frequenzdurchlaufs ist es vielleicht nicht offensichtlich, aber es gibt womöglich auch Sperrbereiche in Ihrem eigenen EMI-Filter. Dies ist leichter in einem Pol-Nullstellen-Diagramm für die gedämpfte Schaltung ersichtlich. Dieser Analysentyp betrachtet die Übertragungsfunktion für EMI-Filter und berechnet die kritischen Stellen in der Übertragungsfunktion.

Die oben angezeigten Schritte beschreiben eine EMI-Filtersimulation. Sie können jedoch den gleichen Vorgang für das Design anderer Arten von Filtern oder Schaltungen verwenden, wenn Sie die integrierten Simulationsfunktionen in   Altium Designer ® nutzen. Wenn Sie bereit sind, Ihr Design in einem PCB-Layout zu erstellen, können Sie Ihren Schaltplan sofort als neues Layout erfassen und Ihre Projektdaten jederzeit über die Altium 365-Plattform mit anderen teilen.

Altium Designer auf Altium 365 bietet einen noch nie dagewesenen Umfang an Integration in der Elektronikindustrie, was bis dahin der Softwareentwicklungsbranche vorbehalten war. Designer können jetzt von zu Hause aus arbeiten und ein beispielloses Maß an Effizienz erreichen.

Wir haben nur ganz oberflächlich behandelt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Wenn Sie mehr erfahren möchten, können Sie die Produktseite besuchen, wo Sie Zugang zu detaillierterem Beschreibungen der Funktionen und On-Demand-Webinaren haben.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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