TV-LCDs: Kräftiger Wachstumsschub

Im zweiten Quartal dieses Jahres ist laut DisplayResearch die Zahl der ausgelieferten TV-LCDs gegenüber dem Vorjahresquartal um 135 Prozent und gegenüber dem vorausgegangenen um 28 Prozent auf 9,4 Mio. Einheiten gewachsen.

»Trial and Error«-Verfahren beim Filterentwurf kosten Zeit und Geld. Jetzt lassen sich die verursachenden Wechselwirkungen der Bauteile vorhersagen, womit sich ein optimales Layout finden lässt. Dieses ist sogar automatisierbar, sodass neue Werkzeuge die Entwurfseffizienz erheblich steigern können.

Ebenfalls gemessen in Stückzahlen erreichten die LCD-TVs im zweiten Quartal 2006 einen Anteil von 22 Prozent am gesamten weltweiten TV-Markt. Im ersten Quartal waren es erst 17 Prozent gewesen.

Gemessen in Umsatz legten die TV-Displays sogar noch mehr zu: Um 138 Prozent gegenüber dem Vorjahresquartal und um 29 Prozent gegenüber dem vorausgegangenen Quartal auf 11,3 Mrd. Dollar. Das entspricht 47 Prozent des Gesamtumsatzes. Im ersten Quartal hatte dieser Anteil noch bei 41 Prozent gelegen.

Passive Bauteile nehmen auch heute noch einen erheblichen Anteil am Volumen eines leistungselektronischen Systems ein. Als Beispiel seien die unverzichtbaren Filterelemente eines Schaltnetzeils oder Frequenzumrichters genannt. Der Filterentwickler möchte aus Kosten- und Volumengründen den Bauteilaufwand so gering wie möglich halten, was ihm jedoch zwei Arten von parasitären Effekten erschweren. Die erste Art beinhaltet die parasitären Elemente der Bauteile, wie zum Beispiel die Eigeninduktivität von Kondensatoren oder die parasitären Windungskapazitäten einer Drossel. Diese Tatsachen sind bekannt und lassen sich durch Konsultation des Datenblattes oder mittels einer Impedanzmessung in die Schaltungssimulation einbinden.

Feld- und Schaltungssimulation koppeln

Das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM wendet zum Zwecke der Vorhersage magnetischer Kopplungen erfolgreich die PEEC-Methode (Partial Element Equivalent Circuit) an und bereitet diese für andere Nutzer im Bereich EMV zum Einsatz vor. Bisher untersuchten die Wissenschaftler mit dieser Methode nur Kopplungen auf Leiterbahnebenen. Durch neue Forschungsergebnisse ist es jetzt gelungen, das Anwendungsgebiet auf dreidimensionale Bauteile zu erweitern. Die Hauptgründe für den Einsatz der PEEC-Methode sind zum einen der viel geringere Rechenaufwand im Gegensatz zu bisherigen Simulationsmethoden (FEM, Finite- Elemente-Methode) und zum anderen die viel komfortablere Ergebnisausgabe. Als Resultat erhält der Anwender ein elektrisches Ersatzschaltbild aus Eigen- und Gegeninduktivitäten (bzw. -kapazitäten), womit der Schaltungsentwickler zum Beispiel das bisherige Filtermodell vervollständigen kann. Der dreidimensionale Aufbau wird vom Feldsimulator in ein Ersatzschaltbild überführt, womit der Designer unerwünschte Kopplungen zwischen Bauteilen deutlich erkennen kann. Dieses ist eine wertvolle Hilfe im Entwicklungsprozess, vor allem da durch die Erhöhung der Packungsdichte und der möglichen Anordnung der Bauteile in allen Raumrichtungen dem intuitiven Verständnis des Entwicklers Grenzen gesetzt sind.

Um leicht verwendbare Modelle zu gewinnen, muss man den komplexen physikalischen Aufbau der Bauteile so vereinfachen, dass nicht jede Wicklung eines Folienkondensators oder jede Windung einer Drossel im Feldsimulator nachgebildet werden muss. Wichtig für die Berechnungen ist die korrekte Wiedergabe der Magnetfeldform und des Betrages des erzeugten magnetischen Flusses. Bei Kondensatoren wird dazu mit so genannten äquivalenten Strompfaden und Ersatzleitfähigkeiten gearbeitet. Bei Drosseln erfolgt die Einbindung des Ferritmaterials und der Windungszahl durch Transformationen im Schaltungssimulator. Damit lassen sich die Modelle für den Feldsimulator einfach halten. So lassen sich Eigeninduktivität und Verkopplungen mit den umliegenden Objekten dem bisherigen Schaltungsmodell hinzufügen.

Wie anhand von Bild 1 bereits erläutert, stellen Kopplungen innerhalb von Filterschaltungen ein großes Problem dar. Unter Verwendung der PEEC-Modelle ist jetzt eine bessere Performance- Vorhersage möglich. Hardware und Modell des in der Praxis oft verbauten Netzfilters sind in Bild 3 zu sehen. Betrachtet man nun die Filterperformance in Bild 1, dann zeigt sich, dass nun die Kurve (blau), die man durch Einbindung der Kopplungen gewinnt, viel näher an der Messkurve (rot) liegt, als die bisher übliche Filternachbildung (grün). Da nun eine genaue Abbildung der Realität möglich ist, lassen sich verschiedene Bauteilanordnungen leicht testen. Eine Verringerung der Verkopplung beispielsweise ergibt sich mit zunehmendem Abstand der Bauteile. Platz sparender ist allerdings die Alternative der Bauteildrehung. Hier ergibt sich ein deutlicher Dämpfungsgewinn durch eine 90°- Drehung des Kondensators, welcher an der Seite der Störquelle sitzt (Bild 2). Da dieser ein »heißes« Bauteil ist, wirkt sich schon ein geringerer Koppelgrad signifikant aus. Bei paralleler Anordnung der Kondensatoren ergibt sich eine maximale Überkopplung, da das Magnetfeld, welches der vom Strom durchflossene Folienwickel erzeugt, senkrecht durch die Fläche tritt, welche der gegenüber liegende Kondensator aufspannt (rote Kurve in Bild 2). Bei senkrechter Anordnung liegen Magnetfeld und Fläche parallel zueinander, sodass die eingekoppelte Spannung minimal ist (grüne Messkurve und blaue Simulationskurve in Bild 2).

Wie zwischen Kondensatoren lassen sich auch Beziehungen zwischen Kondensatoren und Drosseln, zwischen Drosseln und zwischen anderen passive Bauteilen finden. Damit sind für den EMV-Praktiker Designregeln ableitbar. Da sich diese Regeln mit einem Algorithmus gut fassen lassen, entstand die Idee, ein automatisches Platzierungstool für diese Aufgabe zu entwickeln. Dieses Platzierungswerkzeug wurde in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) realisiert.

EMV-gerechte Bauteilplatzierung am PC

Mit diesem neuen Werkzeug lassen sich die 3D-Bauteile mit ihren entsprechenden magnetischen Eigenschaften unter Anwendung eines Regelwerkes interaktiv oder auch automatisch optimal anordnen. Über eine ASCIISchnittstelle werden dem Platzierungstool alle notwendigen Informationen bekannt gegeben – beispielsweise die Abmaße der Bauteile, die Bauteilarten, die Platzierungsflächen, mögliche Sperrflächen und alle relevanten Entwurfsregeln (Mindestabstände der Bauteile). Mehrere Bauteile lassen sich thematisch zu Gruppen zusammenfassen (z.B. »Eingangsfilter«), und vorplatzierte Bauteile wie beispielsweise ein Stecker werden ebenfalls von dem Tool berücksichtigt. Des Weiteren können mehrere Leiterplattenebenen für die Platzierung der Bauteile spezifiziert sein.

Das Tool berechnet in sehr kurzer Zeit die Anordnung der Bauteile im gegebenen Bauraum bei Einhaltung der Vielzahl von Abstandsregeln (Bild 4). Dem Anwender bietet es mehrere Anordnungsvorschläge an, die er mit seinem Fachwissen und unter Anwendung verschiedener interaktiver Funktionen des Werkzeugs weiter optimieren kann.

Fraunhofer IZM
Telefon 030/46 40 31 46
www.izm.fraunhofer.de 

GFaI
Telefon 030/63 92 16 56
www.gfai.de

Autoren

André Lissner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dr. Eckart Hoene ist Gruppenleiter am Fraunhofer IZM, Bernd Stube ist Gruppenleiter bei der GFaI

Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK