EMV-Simulation mit LTspice

Störaussendung und Störfestigkeit von DC/DC-Wandlerschaltungen

30. Januar 2023, 6:00 Uhr | Richard Anslow und Sylvain Le Bras

Mit LTspice-Simulationsschaltungen und -Methoden lassen sich differenzielle Störungen und Gleichtakt-Störgrößen in Abwärtswandlern simulieren. Damit können zu hohe Resultate bei EMV-Labormessungen zuverlässig vorhergesagt werden – wie das Beispiel mit einem Demo-Board zeigt.

Nicht selten ist es eine durchaus komplexe Aufgabe, die Vorgaben hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen. Mit LTspice-Simulationsschaltungen und den auf Open-Source-Basis angebotenen Modelle lassen sich zwei wichtige Fragen am PC beantworten, bevor ein Prototyp gebaut wird:

Wird mein System die EMV-Tests bestehen oder sind noch Maßnahmen erforderlich?
Wie immun ist meine Schaltung gegenüber Störbeeinflussungen aus der Umgebung?

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Weshalb sollte ein Entwickler bei der EMV-Simulation mit LTspice arbeiten?

Obwohl sich der EMV-gerechte Schaltungsentwurf möglichst eng an den Produkteinführungs-Zeitplan halten sollte, treten häufig unerwartete EMV-Probleme auf, und die daraufhin fälligen Labortests können die Markteinführung eines Produkts nicht selten um Monate hinauszögern.

Bei der klassischen Simulation konzentrieren sich Entwickler meist auf die funktionalen Aspekte eines elektronischen Geräts. Ein einfaches, als Open-Source-Software verfügbares Tool wie LTspice [1] lässt sich jedoch auch nutzen, um die EMV-Eigenschaften eines Geräts zu simulieren. Da viele Entwickler inzwischen auch im Homeoffice tätig sind und die Nutzung von EMV-Laboren hohe Kosten von bis zu 2.000 Euro pro Tag verursachen kann, sind präzise EMV-Simulationstools heutzutage nützlicher denn je. Wenn ein paar Stunden investiert werden, um EMV-Probleme per Simulation aufzudecken und entsprechende Modifikationen an der Schaltung zu erarbeiten, lassen sich mehrere Testdurchläufe im EMV-Labor sowie teure Schaltungsänderungen (Redesigns) vermeiden.

Um sinnvoll einsetzbar zu sein, muss ein EMV-Simulationstool natürlich möglichst präzise sein. Die mit diesem Beitrag begonnene Serie gibt diesbezüglich einige Leitlinien und EMV-Schaltungsmodelle für LTspice vor, die in der Simulation eine hohe Übereinstimmung mit realen Labormessungen zeigen.

In der Serie werden EMV-Simulationsmodelle für eine exemplarische Sensor-Signalverarbeitungsschaltung mit einem MEMS-Vibrationssensor als zentrales Element vorgestellt. Viele der beschriebenen Bauteile und EMV-Simulationstechniken sind jedoch nicht nur für MEMS-Schaltungen geeignet, sondern können in einem breiten Spektrum von Anwendungen genutzt werden.

Störaussendungs- und Störimmunitätsprobleme identifizieren

Nach der Lektüre dieses Beitrags sollten Entwickler Antworten auf die folgenden wichtigen Fragen geben können:

Wird mein System die EMV-Prüfungen bestehen? Sollte Platz für eine Gleichtaktdrossel, eine Filterinduktivität oder einen Kondensator freigehalten werden?
Entwickler sollten LTspice anwenden können, um die differenziellen und Gleichtakt-Störgrößen in einem Abwärtswandler grafisch darzustellen und nachzuweisen, ob die Schaltung die Grenzwerte bezüglich der leitungsgeführten Störgrößen einhält oder überschreitet (Bild 1).
Ist ein Linearregler (LDO) erforderlich, um einer empfindlichen Last eine stabile Spannung zur Verfügung zu stellen?
Entwickler sollten mithilfe von LTspice beurteilen können, ob angesichts der zulässigen Welligkeit der Ausgangsspannung ihres Abwärtswandlers ein zusätzlicher LDO-Regler benötigt wird. Hierfür wird in einem folgenden Absatz eine konfigurierbare Schaltung zum Prüfen des PSRR (Power-Supply Rejection Ratio) vorgestellt.

Abwärtswandler in der Stromversorgung von Sensorschaltungen

MEMS-Vibrationssensoren werden in der Regel in kleinen Metallgehäusen mit einem Durchmesser von 20 bis 30 mm und einer Bauhöhe von 50 bis 60 mm angeboten. Sensoren mit digitaler Signalverarbeitung werden meist über längere Kabel mit 9 bis 30 V Gleichspannung versorgt und nehmen weniger als 300 mW Leistung auf. Die benötigte Stromversorgung muss in dieses winzige Gehäuse passen und einen hohen Wirkungsgrad sowie einen weiten Eingangsspannungsbereich haben.

Die kompakten und hochfrequenten Abwärts-Schaltregler LT8618, LT8618-3.3 und LT8604 von Analog Devices eignen sich beispielsweise für MEMS-Sensoren. Für die Bausteine LT8618 und LT8618-3.3 sind bereits LTspice-Modelle verfügbar. Die Ausgangsspannung des LT8618 zeichnet sich durch eine sehr geringe Welligkeit mit einem Uss-Wert von weniger als 10 mV aus, allerdings können die parasitäre Induktivität und der parasitäre Widerstand der Ausgangskondensatoren diese Welligkeit so ansteigen lassen, dass von der Schaltung unerwünschte leitungsgeführte Störsignale ausgehen. Ursachen für parasitäre Effekte können die Lastkapazität, Schaltstörungen am Ausgang des Abwärtsreglers und die Koppelkapazität zwischen Leiterplatte und Sensorgehäuse sein.

Extrahieren und Anwenden der parasitären Werte

In den nächsten Abschnitten geht es darum, wie sich mithilfe des Online-Tools Redexpert [2] von Würth die parasitären ESR- und ESL-Werte (effektiver Serienwiderstand und effektive Serieninduktivität) realer Kondensatoren zu extrahieren, um die Schaltung anschließend mit LTspice simulieren zu können. Die parasitären Werte der an den Ein- und Ausgängen vieler Systeme angeordneten Kondensatoren und Induktivitäten spielen eine wichtige Rolle für die EMI-Eigenschaften (elektromagnetische Interferenzen). Die Aufschlüsselung der parasitären Effekte nach den einzelnen Bauteilen hilft bei der Festlegung der besten Maßnahmen, um die Ausgangswelligkeit des jeweiligen Systems zu verringern.

Die Simulation der leitungsgeführten Störaussendungen eines Abwärtswandlers beschreibt der in Bild 2 dargestellte Prozess auf der Basis der Tools LTspice und REDEXPERT. In der Regel wird bei einem Abwärtswandler die Ausgangswelligkeit mit dem Signal-Rauschabstand (Signal-to-Noise Ratio, SNR) in Zusammenhang gebracht, die Eingangswelligkeit dagegen, steht in engem Zusammenhang mit den EMV-Eigenschaften.