Elektromagnetische Verträglichkeit Verschiedene Funkstandards gleichzeitig implementieren

STMicroelectronics hat eine Methodik entwickelt, die elektromagnetische Fullwave-Extraktion mit der Schaltungssimulation zu verbinden. Dadurch lassen sich die EMV und Probleme bei der elektromagnetischen Koexistenz vor der Prototypenentwicklung bestimmen. Dies kann die Entwicklungszeit verkürzen.

Da die drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationskanäle ständig zunehmen, die Datenraten immer weiter steigen und die Packungsdichte in den Systemen immer weiter zunehmen, haben sich die Anforderungen an die Einhaltung der Standards für elektromagnetische Störstrahlung (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erheblich erhöht und sollen dazu beitragen Interferenzen zwischen koexistierenden Schnittstellen zu vermeiden. 

Üblicherweise nutzen Entwickler dafür einen elektromagnetischen Simulator, indem sie ein S-Parameter-Modell aus denjenigen Bereichen extrahieren, von denen sie Probleme erwarten. Diese Methode hat eine eingeschränkte Genauigkeit, da das S-Parameter-Modell nicht mit der realen Signalform angeregt wird, sodass die durch die Full-Wave-Simulation vorausberechneten elektrischen und magnetischen Emissionen signifikant von der tatsächlichen Schaltung abweichen können.

Die Techniker von STMicroelectronics nutzen das Tool HFSS, einen 3D-Finite-Elemente-Modell-Solver für elektromagnetische Modelle von ANSYS, um die Struktur zu modellieren und die elektromagnetischen Felder im interessierenden Frequenzbereich zu berechnen. Da sie außerdem die Electronics-Desktop-Umgebung des Toolanbieters nutzen, wird das extrahierte EM-Modell direkt in das Schaltungsmodell eingebettet. Der enthaltene Schaltungsanalysator kann das HFSS-Modell realitätsnah anregen, um die magnetischen und elektrischen Emissionen der realen Schaltung möglichst genau vorherzusagen (Bild 1). Die mit dieser Methode erstellten Simulationsergebnisse korrelieren gut mit experimentellen Messungen, sodass sich dieses Tool dazu eignet, EMI- und Koexistenzprobleme zu identifizieren sowie mögliche Störungsminderungstechniken zu bewerten.

Kein Aspekt des modernen Elektronikdesigns ist mit größeren Schwierigkeiten verbunden, als die Koexistenz der vielen digitalen Schnittstellen zu gewährleisten, die heute in modernen Elektronikprodukten wie Mobiltelefonen, Set-Top-Boxen und Wearables zu finden sind. Die Herausforderung besteht nun darin, sicherzustellen, dass jede einzelne Schnittstelle in einem Gesamtsystem sich möglichst so verhält, wie es im isolierten Betrieb der Fall wäre. Aktuelle Simulationsmethoden befassen sich mit einzelnen Interaktionen, beispielsweise der Feststellung, ob DDR-SDRAM mit USB 3.1 interferiert. Jedoch verfügen Spitzenprodukte heutzutage oft über so viele verschiedene Funktionen, dass der Entwickler nicht im Voraus weiß, welche davon eine nachteilige Wechselwirkung aufweisen können. Allzu oft werden diese Probleme erst während des Testens entdeckt. Das üblicherweise verwendete Trial-and-Error-Verfahren kann das zwar abmildern, allerdings verzögert das dadurch erforderliche Redesign den Produktionsstart.

Durch Kombinieren von verbesserten EM-Simulationstechniken und High-Performance-Computing-Methoden (HPC) lässt sich nun die gesamte Leiterplatte mit Full-Wave-Genauigkeit simulieren. Die von den STMicroelectronics-Technikern entwickelte Methodik geht noch einen Schritt weiter, indem sie eine transiente Simulation unter Verwendung des Vollwellenmodells mit realitätsnahen Anregungsmustern durchführt. Die Ergebnisse der Schaltungssimulation werden an das extrahierte EM-Modell zurückgemeldet, um reale EM-Felder zu reproduzieren.