EMV-Simulation mit LTspice
Störaussendung und Störfestigkeit von DC/DC-Wandlerschaltungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Vergleich realer Labormessungen mit den Simulationsergebnissen
Für den Vergleich der Simulation mit realen Messergebnissen in einem EMV-Labor wird das in Bild 18 gezeigte LT8618-Demo-Board DC2822A genutzt. Das Modul ist mit mehreren Eingangs- und Ausgangs-Kondensatoren bestückt, die in den bisher erwähnten Simulationsmodellen nicht vorhanden waren, z.B. in den Bildern 9 und 10, 15 und 16. Das in Bild 19 dargestellte LTspice-Modell dagegen enthält diese Kondensatoren sowie deren ESL- und ESR-Werte, die mithilfe des Tools Redexpert extrahiert wurden.
Um die Simulationszeit zu verkürzen und die Übereinstimmung der LTspice-Simulation mit den Labormessungen am Demo-Board DC2822A zu verbessern, wurden am Modell aus Bild 19 die folgenden Modifikationen gegenüber den früheren Modellen (Bilder 9 und 10, 15 und 16) vorgenommen:
- Auf eine Modellierung der 100-pF-Kapazität zwischen Gehäuse und Leiterplatte wurde verzichtet, da ausschließlich das Demo-Board DC2822A simuliert wird.
- Es wird davon ausgegangen, dass die Schaltstörungen bei dieser gut durchentwickelten Leiterplatte vernachlässigbar sind. Zuvor war in den Bildern 9 und 10, 15 und 16 eine Kapazität von 5 pF als Schätzwert für die Schaltstörungen angenommen worden.
- Die äußerst geringe Induktivität der Verbindungsleitungen zwischen Netznachbildung und Demo-Board wurden ignoriert.
- Es wurden 1-kΩ-Widerstände parallel zu den 50-µH-Induktivitäten der Netznachbildung hinzugefügt, um die Simulationszeit durch Reduzierung der Einschwingzeit der Netznachbildung zu verkürzen. (Anm. In der Schaltung in Bild 19 sind Widerstandwerte von 1,5 kΩ eingetragen.)
Mit diesen Änderungen an der Schaltung aus Bild 18 gibt Bild 21 einen Vergleich zwischen der LTspice-Simulation und realen Messungen am Demo-Board im Labor wieder. Es ist zu erkennen, dass sich mit dem Simulationsmodell die wichtigsten Spitzen der Labormessungen mit hoher Genauigkeit voraussagen lassen.
Bei der Messung mit Ferritperle (Eingang VEMI) bleibt das Demo-Board mit seinen leitungsgeführten Störaussendungen problemlos unter der Grenze von 60 dBµV. Bei niedrigeren Frequenzen liegen die Emissionen des Boards sogar bei nur 30 bis 35 dBµV.
Immunität gegen leitungsgeführte Störgrößen
Für per Kabel angeschlossene Zustandsüberwachungs-Sensoren gelten strenge Anforderungen an die Störfestigkeit. Bei der zustandsbasierten Überwachung in den Bereichen Bahntechnik, Automatisierung und Schwerindustrie – z.B. Zellstoff- und Papierverarbeitung – muss das von Vibrationssensoren ausgesendete Rauschen kleiner als 1 mV sein, damit von der Datenerfassungs- bzw. Steuereinheit keine falschen Vibrationswerte registriert werden. Hieraus folgt wiederum, dass die Stromversorgungsschaltung nur sehr wenig Rauschen – d.h. eine geringe Ausgangsspannungswelligkeit – in die Messschaltung – d.h. in die MEMS-Signalverarbeitung – injizieren darf. Im Gegenzug muss die Stromversorgungsschaltung auch immun gegen Störgrößen sein, die in das Stromversorgungskabel eingekoppelt werden, weshalb der PSRR-Wert hoch sein muss.
Wie weiter oben beschrieben, kann die Ausgangsspannungswelligkeit des LT8618 bedingt durch nichtideale kapazitive Lasten und Burst-Betrieb im zweistelligen mV-Bereich liegen. Für den Einsatz mit MEMS-Sensoren muss dem Ausgang des LT8618 deshalb ein extrem rauscharmer LDO mit hohem PSRR-Wert – z.B. der LT3042 – nachgeschaltet werden.
Simulationsschaltung für die Störbeständigkeit (PSRR)
Die in Bild 22 dargestellte Simulationsschaltung kann zum Simulieren des PSRR-Werts des LDOs LT3042 verwendet werden. Das im Zeitbereich arbeitende Transientenmodell stellt eine Alternative zur AC-Sweep-Methode dar, ist flexibler als eine AC-Methode und erlaubt es sogar, die PSRR-Eigenschaften eines Schaltreglers zu simulieren. Die Simulationsschaltung bildet die Änderungen der Ausgangsspannung nach, die sich bei Frequenzänderungen auf der Eingangsspannungsseite ergeben. Anders ausgedrückt, wertet die Simulation die folgende Gleichung aus:
in Abhängigkeit von der Frequenz.
Bild 22 enthält zwei wirkungsvolle Anweisungen. Die Kombination aus .meas- und .step-Anweisungen bietet die Möglichkeit, eine Spannungsrauschquelle am Eingang des LDO hinzuzufügen und das PSRR-Verhalten des LDO bei einer gestuften Änderung der Eingangsspannung über die Frequenz zu messen.
- .meas-Anweisungen
Hiermit lässt sich der Peak-to-Peak-Wert eines Signals in einer bestimmten Zeitspanne messen und an das SPICE Error Log ausgeben. In Bild 22 wird sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsspannungs-Welligkeit gemessen, und aus den gemessenen Daten wird der PSRR-Wert berechnet. Alle Daten werden an das SPICE Error Log ausgegeben. - .step-Anweisungen
Der .step-Befehl eignet sich hervorragend, um mit einer Variable in einem einzigen Simulationsdurchlauf einen bestimmten Wertebereich zu durchfahren. In Bild 22 etwa sorgt die .step-Anweisung dafür, dass die Sinus-Spannungsquelle U2 einen Bereich von 50 Hz bis 10 MHz durchläuft.
Die anfängliche Spannung am Ausgangskondensator C2 kann auf 3,3 V gesetzt werden, um die Einschwing- und damit auch die Simulationszeit zu verkürzen. Dies geschieht durch entsprechendes Editieren der Kondensatoreigenschaften. Weiter beschleunigen lässt sich der Vorgang, indem in LTspice die Option „Start External DC Supply Voltage at 0 V“ deaktiviert wird.
Verwendung des SPICE Error Log
Nach Beendigung der Simulation kann mit einem Rechtsklick auf eines der Fenster – oder mit der Tastenkombination Strg-L – das SPICE Error Log angeklickt werden. Das SPICE Error Log enthält die Datenunkte für die .meas-Anweisungen.
Um die .meas-Daten grafisch darzustellen, wird nach einem Rechtsklick auf das Error Log der Menüpunkt „plot step’ed .meas data“ ausgewählt. Anschließend folgt nach einem Rechtsklick auf den leeren Bildschirm der Menüpunkt „Add Trace“ – bzw. Strg-A – und die Funktion „PSRR“ wird ausgewählt. Nach einem Rechtsklick auf die x-Achse wird die Optionsschaltfläche für logarithmische Darstellung ausgewählt. Hierdurch wird der PSRR über die Frequenz dargestellt, wie in Bild 23 gezeigt.
Einige Artefakte aus dem Datenblatt des LT3042 (bei 2 MHz) werden zwar nicht dargestellt, aber der allgemeine Verlauf und die Werte kommen dem Datenblatt doch recht nahe.
In Bild 24 ist die Ausgangsspannungs-Welligkeit über die Frequenz wiedergegeben. Sie beträgt weniger als 200 µV im Bereich von 50 Hz bis 10 MHz. Die Eingangsspannungs-Welligkeit (USS) ist über denselben Frequenzbereich kleiner als 1 V. Somit können dem LT3042 hervorragende PSRR-Eigenschaften und ein geringes Rauschen für rauschempfindliche MEMS-Schaltungen attestiert werden.
Mit .meas und dem SPICE Error Log lassen sich noch viele weitere Parameter simulieren, wie zum Beispiel:
- PSRR eines Schaltreglers,
- PSRR als Funktion der Dropout-Spannung über die Frequenz,
- PSRR als Funktion des Bypass-Netzwerks,
- RMS-Ausgangsspannungs-Welligkeit als Funktion der DC-Eingangsspannung,
- Wirkungsgrad als Funktion der Werte von Bauelementen.
Die Autoren bedanken sich bei der Power Products Group von Analog Devices und bei Würth Elektronik für ihre Mitwirkung bei diesem Artikel.
Die Autoren
Richard Anslow
arbeitet als System Applications Engineer im Connected Motion and Robotics Team der Automation and Energy Business Unit von Analog Devices. Seine Spezialgebiete sind die zustandsbasierte Überwachung und das Entwickeln industrieller Kommunikationsschaltungen. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Aeronautical Engineering und einen Master-Abschluss in Electronic Engineering, VLSI Microelectronics von der Universität Limerick (Irland).
richard.anslow@analog.com
Sylvain Le Bras
ist als Field Applications Engineer bei Würth Elektronik tätig und hat sich auf die Bereiche Stromversorgung und elektromagnetische Verträglichkeit spezialisiert. Bevor er zu Würth Elektronik kam, war Le Bras in unterschiedlichen Forschungs- und Entwicklungs-Positionen bei ABB sowie in Technologietransfer-Laboratorien beschäftigt. Ein Master-of-Engineering-Studium am Polytechnikum der Universität Nantes (Frankreich) schloss er mit einem M.Sc.Eng. ab.
- Störaussendung und Störfestigkeit von DC/DC-Wandlerschaltungen
- LTspice-Testschaltung mit Werten aus Redexpert
- Korrektur des EMI-Verhaltens des Abwärtswandlers
- Vergleich realer Labormessungen mit den Simulationsergebnissen
- Literatur
