Elektromagnetische Verträglichkeit Verschiedene Funkstandards gleichzeitig implementieren

Beispiel Set-Top-Box

Diese Vorgehensweise wurde auf einem bestehenden digitalen Breitband-Übertragungskanal in einer Set-Top-Box validiert und dazu verwendet, potenzielle Methoden der EMI/EMV-Risikominderung im Simulationsraum zu bewerten (Bild 2). Das S-Parameter-Modell aus HFSS wurde in ein SPICE-ähnliches Modell umgewandelt und innerhalb der integrierten Schaltungsumgebung verknüpft. Das HFSS-Modell bewahrte eine überschaubare Größe, indem geeignete Randbedingungen und Anregungen entsprechend der Struktur, das Frequenzband für die S-Parameter-Modellierung, Netzeinstellungen und Konvergenzkriterien definiert wurden. Die Port-Anregungen wurden von Treibern im IBIS-Format unter Verwendung einer pseudozufälligen Bitsequenz eingestellt (PRBS), um einen echten Anwendungsfall zu reproduzieren. Die transiente Simulation erzeugte Augendiagramme und H-Felder, die gut mit den physikalischen Messungen im Zeitbereich korrelierten. Der nächste Schritt bestand darin, die Anregung zur Neuberechnung der EM-Felder zurück in HFSS zu bringen, wobei der Fokus auf die Magnetfelder gerichtet wurde, die in diesem Fall die elektrischen Felder dominieren.

Die Techniker von STMicroelectronics untersuchten die Verwendung funktionaler und physikalischer Layout-Techniken, um EMI/EMV-Risiken zu minimieren (Bild 3). Die Slew-Rate von 5 % auf 8 % der Geräteschnittstelle (UI) zu erhöhen führte dazu, dass sich das Taktfrequenzspektrums durchschnittlich um 3 dB abschwächte (Bild 4). Dadurch reduzierte sich das abgestrahlte Magnetfeld. Entwickler implementierten außerdem ein Frequenzspreizungsverfahren (Spread Spectrum Clocking, SSC), um die Störabstrahlung um bis zu 10 dB bei der dritten Oberwelle und 15 dB bei der fünften Oberwelle zu verringern.

Die Ingenieure bewerteten die Auswirkungen der Platzierung von Gleichtaktfiltern an verschiedenen Stellen auf unterschiedliche Oberwellen. Die Ergebnisse zeigten, dass bei diesem Design die Gleichtaktfilterung mit dem ECMF04-4HSWM10 von STMicroelectronics effizienter ist, wenn der Filter näher an der Signalquelle – in diesem Fall dem System-on-Chip (SoC) – platziert wird. Die Störabstrahlung reduziert sich bei gleichmäßigen Oberwellen des Systemtakts um bis zu 25 dB (Bild 5a). Außerdem bewerteten die Spezialisten den Einfluss von 1 mm starken Kupferabschirmungen mit einer Öffnung von 10 mm × 0,6 mm: Dabei stellten sie fest, dass die Intensität des durchschnittlichen H-Feldes von 15 dB auf 20 dB angestiegen war, außer bei der Schirmresonanzfrequenz von 2,4 GHz bis 2,5 GHz, bei der die Verstärkung nur etwa 6 dB betrug (Bild 5b). Dagegen erhöhte ein in die Leiterplatte eingebettetes Routing die Intensität des H-Felds von 5 dB auf 15 dB, mit Ausnahme der Routing-Resonanz, wo die Strahlungsverstärkung lediglich etwa 0,7 dB betrug (Bild 5c).

Die zunehmende Integration von sehr schneller digitaler Kommunikationstechnologien hat die Herausforderungen bei der Einhaltung der EMI/EMV-Standards und der EM-Koexistenz gesteigert. Um diese Konformität sicherzustellen, ist bei vielen Produkten ein Redesign während der Prototyp-Phase nötig. Dies erhöht nicht nur die Kosten für Engineering und Prototyping, sondern verzögert auch die Einführung neuer Produkte, was zu entsprechenden Umsatzeinbußen führt.

Die von STMicroelectronics entwickelte neue Methodik erlaubt eine Vollwellen-EM-Simulation mit praxisnaher Anregung. Die daraus resultierende hohe Genauigkeit bietet die Möglichkeit, EMI/EMV- und Koexistenzprobleme sicher zu erkennen und die relative Wirksamkeit einer Vielzahl von Maßnahmen zur Risikominderung zu bewerten, lange bevor ein Prototyp zur Verfügung steht. Somit kann ein neues, kostenoptimiertes und EMV-konformes Produkt auf den Markt gebracht werden. Auch das deutlich geringere Entwicklungsrisiko und die kürzeren Entwicklungszyklen wirken sich positiv aus.