Für Entwicklungsingenieure gibt es mehrere alternative automatisierte EMI/EMV‑Werkzeuge, darunter Designregelprüfer, die untersuchen, ob Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) in der Lage sind, vorgegebene Designregeln einzuhalten, quasi‑statische Simulatoren, die verwendet werden können, um Induktivitäts‑, Kapazitäts‑ und Widerstandsparameter zu extrahieren, wenn die Abmessungen der Bauteile deutlich kleiner als die Betriebswellenlänge sind, Schnellrechner, die zur Berechnung einfacher Anwendungen auf Computern auf Basis analytischer Gleichungen eingesetzt werden, sowie vollwellige numerische Simulationstechniken. Diese automatisierten Werkzeuge können zur Lösung verschiedener EMI/EMV‑Probleme in unterschiedlichen Entwurfsphasen eingesetzt werden. Allerdings ist kein automatisiertes Werkzeug in der Lage, das Gesamtdesign zu analysieren und die Probleme, die im System auftreten werden, genau vorherzusagen.
Das PCB-Design ist so komplex, dass zahlreiche Lagen und Leiterbahnen darin berücksichtigt werden müssen. Für Ingenieure ist es ziemlich schwierig und langweilig, die Leitungsführung jedes EMI/EMC-Schlüsselnetzwerks manuell zu überprüfen. Automatisierte Werkzeuge sind in der Lage, das PCB-Design aus CAD-Dateien zu extrahieren und den Benutzern Positionen zu melden, die gegen Designregeln verstoßen. Allgemein gesprochen ermöglichen diese Softwaretools den Benutzern, Designregeln im Voraus als Einschränkungsbedingungen festzulegen und können sogar neue Regeln erstellen, sofern die verfügbaren PCB-Technologien und die Geschwindigkeit dies zulassen.
PCB-Regelprüfungen können während der PCB-Entwurfsphase wiederholt angewendet werden, um sicherzustellen, dass der Entwurf keine wichtigen EMV-Regeln verletzt. Wenn die Leiterplatte erst im letzten Entwurfsschritt überprüft wird, kann eine regelkonforme Änderung möglicherweise viel Zeit in Anspruch nehmen und unter Umständen gar nicht mehr umsetzbar sein. Die Überprüfung des PCB-Designs während der Entwurfsphase führt dazu, dass umfangreiche Änderungen aufgrund nachträglich berücksichtigter EMV-Regeln vermieden werden.
PCB-DesignregelDer Prüfer läuft mit sehr hoher Geschwindigkeit und untersucht die Designregeln jeder Leiterplatte. Dennoch liefern diese Werkzeuge lediglich einige Hinweise für die Benutzer und versäumen es, Anweisungen entsprechend der Schwere der Regelverletzungen zu geben. Einige neu vorgestellte PCB-Software-Prüfwerkzeuge sind in der Lage, Phänomene von Regelverletzungen zuzuordnen und Informationen über die Datenrate der Signale sowie den Grad der Regelverletzung widerzuspiegeln, was für Entwickler hilfreich ist, um bestimmte Regelverletzungen zu beseitigen.
Simulationswerkzeuge werden eingesetzt, um einen kleinen Teil des Gesamtsystems präzise zu analysieren. Unabhängig davon, wie gut die von den Lieferanten bereitgestellten Bildschirmaufnahmen sind, sind die derzeitigen EMI/EMV-Modellierungswerkzeuge nicht in der Lage, „die gesamte Arbeit“ zu erledigen, da die Modellierung Softwareingenieure nicht ersetzen kann und nur eines der von EMI/EMV-Ingenieuren verwendeten Werkzeuge ist. EMI/EMV-Ingenieure müssen bestimmen, welcher Teil des Designs einer weitergehenden Analyse und Modellierung bedarf.
Im Allgemeinen muss ein Mehrstufenmodell für noch ungelöste Probleme aufgebaut werden, wobei das Simulationsergebnis des Modells auf der letzten Stufe als Eingabeinformation für das Modell auf der nächsten Stufe dient. Dieses Verfahren optimiert das Modell, indem es die speziellen Probleme in jedem Teil getrennt verarbeitet und die Ergebnisse integriert. Daher ist die Mehrstufensimulation im Vergleich zu einer einmaligen, zu „forcierten“ Modellierung in der Lage, Probleme in größerem Maßstab zu analysieren. Außerdem müssen EMI/EMV-Ingenieure das Problem und die Modellierungstechnologie besser verstehen, um weitere Mehrstufen-Simulationsschnittstellen zu identifizieren.
a. Quasi-statische Simulatoren
Quasi-statische Simulatoren werden eingesetzt, um Parameter der Induktivität, Kapazität und des Widerstands von Systemkomponenten, wie zum Beispiel elektrische Parameter von Steckverbindern, zu extrahieren. Allerdings müssen die Abmessungen der Komponenten deutlich kleiner sein als die Wellenlänge der harmonischen Welle mit der höchsten Frequenz. Diese Art von Werkzeugen ist in der Lage, die Parameter des Ersatzschaltkreises schnell zu berechnen, und die Parameter können verwendet werden inSchaltungssimulatorenwie SPICE. Eine der Bedingungen für die Umsetzung der quasistatischen Bedingung besteht in der Anforderung, dass das zu modellierende Objekt eine kleine elektrische Größe aufweisen muss. Diese Art der Simulation umfasst das elektrische Feld und die magnetische Kopplung ohne Ausbreitungsverzögerung von Wellen, was darauf zurückzuführen ist, dass das zu modellierende Objekt eine so kleine elektrische Größe hat, dass es keine Verzögerung in der Kopplung zwischen elektrischem Feld und magnetischem Feld verursacht. Wenn die Bauteile die Anforderung einer kleinen Größe nicht erfüllen, muss die Vollwellen-Modelierungsmethode angewendet werden.
b. Vollwellensimulationswerkzeuge
Im Unterschied zu quasi-statischen Simulatoren unterliegen Vollwellen-Simulationswerkzeuge keiner Beschränkung auf elektrisch kleine Bauteile. Stattdessen werden die Maxwell-Gleichungen ohne Vereinfachung vollständig gelöst, und es stehen zahlreiche Varianten für die vollwellige elektromagnetische Modellierungstechnologie zur Verfügung. Als beste Simulationstechnologie sind Vollwellen-Simulationswerkzeuge zu den am häufigsten verwendeten Simulationswerkzeugen von Entwicklern und Lehrenden geworden, während sie zugleich am stärksten umstritten sind. Viele Vollwellen-Simulationstechnologien werden nur auf spezifische Strukturen angewendet, und die Anpassung der Berechnungsmethoden an unterschiedliche Problemstellungen ist sehr kompliziert. Manche Vollwellen-Simulationstechnologien sind nicht allgemein einsetzbar und erfordern ein tiefes Verständnis sowohl der elektromagnetischen Grundlagen als auch der Modellierungstechniken. Darüber hinaus werden einige nur im Fernfeld eingesetzt, etwa zur Bestimmung des Radarquerschnitts eines militärischen Geräts.
Verschiedene Vollwellensimulationstechnologien weisen in unterschiedlichen Aspekten Vorteile auf, und die beste Modellierungstechnologie besteht darin, die spezifische Simulationsanforderung zu finden, die für ein bestimmtes Problem geeignet ist. Die am weitesten verbreiteten EMI/EMV-Vollwellensimulations- und Modellierungstechnologien umfassen die Momentenmethode (MoM), die Finite-Differenzen-Zeitbereichs-(FDTD-)Technologie, die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Übertragungsleitungs-Matrixmethode (TLM) und die PEEC-Technologie (Partial Element Equivalent Circuit). Diese verschiedenen Vollwellensimulationstechnologien sind tatsächlich unterschiedliche Ausprägungen der Maxwell-Gleichungen. So verwendet beispielsweise die MoM die Integralgleichung der Maxwell-Gleichungen. Leiter/Metalle müssen in Einheiten mit kleinen elektrischen Abmessungen unterteilt werden (es wird angenommen, dass der Strom auf jedem Abschnitt des Leiters konstant ist). Der Strom und alle Ströme auf anderen Komponenteneinheiten können über die Quelle berechnet werden. Sobald der Strom auf allen Leitereinheiten ermittelt ist, kann schließlich das insgesamt erzeugte elektrische und/oder magnetische Feld berechnet werden.
•FDTDDie Differentialform der Maxwellschen Gleichungen wird in der FDTD-Methode angewendet, wobei das angrenzende Medium Luft ist, und die übliche Modellierung erfolgt durch die Kombination von Metall und Dielektrikum. Der mit den Simulationsobjekten kompatible Raum wird in Volumenelemente mit kleiner elektrischer Größe unterteilt. Jedes Volumenelement wird durch die Dielektrizitätskonstante (ε), die magnetische Leitfähigkeit (μ) und die Leitfähigkeit (δ) definiert. Wie der Name schon andeutet, wird FDTD hauptsächlich im Zeitbereich angewendet, sodass das Modell in der Lage ist, mit einem Impuls als Anregungsfunktion eine breitbandige Antwort zu erfassen. Nach der FDTD-Simulation kann die Lösung im Zeitbereich in eine Lösung im Frequenzbereich umgewandelt werden.
•FEMEs handelt sich um eine weitere Formulierung der Maxwellschen Gleichungen, deren typische Anwendung die Frequenzlösung ist. Ebenso muss die Luft im Modell wie auch alle anderen Materialien in Einheiten mit kleinen elektrischen Abmessungen unterteilt werden. Die Finite-Elemente-Methode wendet Variationsverfahren an, um die Maxwellschen Gleichungen zu lösen.
•TLMAls eine weitere Form der Maxwellschen Gleichungen liegt die typische Anwendung im Zeitbereich. Grundsätzlich wird der räumliche Bereich der Modellierungsobjekte in mehrere 3D-Übertragungsleitungs-Knoten unterteilt, auf denen Übertragung/Reflexion anhand der Knotenimpedanz abgeleitet werden kann. Jede Einheit ist mit einem Knoten kompatibel.
•PEECDiese Technologie ist die neueste Vollwellenmethode im Bereich EMI/EMV mit einer Integralform der Maxwellschen Gleichungen, bei der alle Beziehungen zwischen Einzelfeldern durch Schaltungsbeziehungen ersetzt werden. Die Verbindungen zwischen allen Einheiten werden durch lokale gegenseitige Induktivitäten und Kapazitäten realisiert. Solver wie SPICE werden eingesetzt, um die Gesamtschaltungen zu simulieren, und die berechneten Strom- und Spannungsparameter werden wie bei MoM in Felder umgewandelt.
Bis heute sind Simulationswerkzeuge so leistungsfähig geworden, dass Ingenieure auf sie angewiesen sind. Dennoch können sie das grundlegende Verständnis der Ingenieure für Elektromagnetismus und EMI/EMV-Design nicht ersetzen. Für grundlegende Simulationen wird unerfahrenen Ingenieuren empfohlen, Schulungen zu absolvieren und Lernmaterialien heranzuziehen, um zu erlernen, wie man ein gesamtes Produkt/Gerät in mehrere Simulationsmodule unterteilt und die Simulationsergebnisse interpretiert. Schließlich sollten sie lernen zu überprüfen, ob die Simulationsergebnisse die Modellierungsobjekte korrekt widerspiegeln und mit den grundlegenden physikalischen Theorien vereinbar sind.
