Simulation eines Tiefsetzstellers in CST Microwave Studio zur Verbesserung der EMV

[Maximilian W. (wnemn)]

Hallo zusammen,

Ich habe eine Lizenz der CST Studio Suite erhalten und nun die Aufgabe
einen DC/DC-Wandler zu simulieren und näher zu untersuchen. Letztendlich
möchte ich verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der EMV (conducted
emission) der Anordnung realisieren, um die Ergebnisse und die
Möglichkeiten des Programmes darstellen zu können.
Der Wandler arbeitet bei 488 kHz und wandelt die Eingangsgleichspannung
von 12 V auf 5 V. Dazu habe ich die PCB-Datei in CST importiert und über
Ports in der schematic-Umgebung von außen beschaltet.
Nun meine Frage: Um die EMV-Maßnahmen, wie z.B. verschiedene
Layoutänderungen, zu untersuchen würde ich gerne die Oberflächenströme
bei verschiedenen Frequenzen (der/den Resonanzfrequenzen?) darstellen.
Ein erster Schritt wäre also die Resonanzfrequenz(en) der Anordnung
herauszufinden. Leider weiß ich nicht, wie das bei einer derart
umfangreichen Platine gemacht wird.
Mein Ansatz, wie ich es bisher vom z.B. Antennendesign kannte, war die
Durchführung einer S-Parameter-Analyse zur Analyse des S1,1 Parameters
(überhaupt möglich bei solch einer großen Anordnung??). Aus den
Ergebnissen bin ich aber bisher noch nicht wirklich schlau geworden.
Könnte mir jemand sagen, wie man normalerweise an solch ein Problem
heran geht? Auch habe ich bisher nur die Anordnung an sich, nicht aber
die Funktion simuliert. Sprich das "Schalten" und die eigentiche
Wandlung. Das Vorgehen dafür ist mir nicht klar, da ich mit dem Programm
bisher wenig gearbeitet habe und die Videos und Erklärungen von CST
wenig aufschlussreich waren.

Anmerkung: Da ich neu in dem Forum bin und noch nicht genau mit der
Forenstruktur vertraut, habe ich es erstmal hier rein geschrieben.
Ansonsten eine Bitte an die Mods, den Beitrag gerne in ein passenderes
Forum zu verschieben.

Danke an alle :)

[Michael B. (laberkopp)]

Maximilian W. schrieb:
> Anmerkung: Da ich neu in dem Forum bin und noch nicht genau mit der
> Forenstruktur vertraut, habe ich es erstmal hier rein geschrieben.

Hmm, die Bilder sind so stark verkleinert, daß ich nichts lesen kann.

Maximilian W. schrieb:
> Ein erster Schritt wäre also die Resonanzfrequenz(en) der Anordnung
> herauszufinden. Leider weiß ich nicht, wie das bei einer derart
> umfangreichen Platine gemacht wird.

Stückweise.
Eingangsfilter, step down Spule durch Streukapazität bei auf 0 
gefallenem Strom, Ausgangsfilter.

[Purzel H. (hacky)]

Ja. ... kann man alles machen. Ich kenne CST, ist fuer diese Anwendung 
vielleicht etwas ueberzogen. Du musst dir die Stromfluesse anschauen. Wo 
fliesst der Strom durch, wo fliesst er hin, und wo fliesst er zurueck. 
Welches sind die zwischen hin und zurueck aufgespannte Flaechen. 
Abstrahlung geschieht durch aufgespannte Flaeche. Und speziell, beim 
Schalten aendert die aufgespannte Flaeche. Diese Flaeche ist zu 
minimieren.

Das war's.

[Helmut S. (helmuts)]

Google: switching regulator simulation cst

Das sieht doch wie eine Anleitung aus. Ich denke die kennst du schon.
https://www.cst.com/-/media/cst/events/materials/workshops/2016/2016-08-05-cst-workshop-series-singapore/dcdc-converter_cst_sea_ws_2016.ashx

https://www.cst.com/-/media/cst/landing-pages/2016automotive/investigation-of-electromagnetic-field-coupling-from-dcdc.ashx?la=en&hash=0BAC8B70A33BDA375C8E13F7DB21E4774E151A96

Da gibt es noch viele Treffer.

[Martin L. (Gast)]

Hallo,

das prinzipielle Vorgehen ist das Simulieren der PCB und anschließendes 
Simulieren der Schaltung wobei alle Bauteile an die entsprechenden Ports 
vom n-Port aus der Simulation angeschlossen werden. Dann musss man die 
Ströme/Spannungen an den Ports bestimmen und wieder in die Simulation 
geben um anschließend die Abstrahlung  bzw. Felder zu bestimmen. Braucht 
man letzteres nicht sondern nur die Performance der Schaltung mit 
simulierter PCB kann man sich den letzten Schritt sparen.

Dieser Schritt ist auch nicht ganz trivial wenn man es manuell machen 
muss. Mit Microwave-Office geht das vollautomatisch weil es 
Schaltungs+EM Simulator integriert. Bei CST weiß ich nicht wie gut die 
Schaltungssimulation ist. Man muss sich auch Gedanken machen wenn die 
EM-Simulation im Frequenz- die Schaltungssimulation aber im Zeitbereich 
arbeitet. Damit die Transformation gut funktioniert muss man ein paar 
Randbedingungen berücksichtigen.

Allerdings gibt es für die Schaltregler idR. sowieso keine für die 
HF-Programme kompatiblen Simulationsmodelle. Jetzt kann man sich ein 
eigenes (noch einfacheres) Modell dafür machen aber IMHO macht das 
höchstens akademisch Sinn. Praktisch würde ich so ein Vorgehen nicht 
machen denn:

1. Die Simulation kann keine Verkopplung der Felder zwischen 
PCB/Bauteilen bzw. Bauteil/Bauteil berücksichtigen solange man die 
Bauteile nicht mit in die EM-Simulation nimmt. Das geht aber idR. nicht 
weil man die Informationen über inneren Aufbau und Materialien nicht 
hat. (Und magnetische Materialien in der EM-Simulation mit Hysterese und 
nichtlinearitäten ist noch mal ein ganz eigenes Thema)

2. Der Einfluss der PCB ist, wenn man sich an die Grundregeln für gutes 
Schaltungsregler-Design hält, gering.

3. Effekte wie Ground-Bouncing oder Verkopplung die durch den Rippel auf 
der Ein- oder Ausgangsseite entstehen werden auch nicht berücksichtigt, 
solange man diesen Teil nicht mit simuliert.

4. Die Wahl der geeigneten Bauteile für Spule/Kondensator hat meist 
einen größeren Einfluss als das PCB-Layout. Wegen der meist schlechten 
Modelle kommt man hier mit einer Simulation auch nicht so sehr weit.

Ich würde also empfehlen mit der Simulation oder besser einer 
analytischen Beschreibung die grundlegenden Effekte zu verstehen und 
dann ganz praktisch aufbauen und messen und ggf. dort ein paar 
Versuchsreihen zu machen.
Da kann man sich am Ende auch sicher sein, dass man tatsächlich die 
Performance hat. Ich habe schon ab und zu mal Effekte gemessen und 
erfolglos versucht diese in der Simulation nachzuvollziehen. Meistens 
weil die Simulation eben auch Modellannahmen macht die ihre 
Limitierungen hat.

Viele Grüße,
 Martin Laabs

[Maximilian W. (wnemn)]

Erst einmal danke an alle für die Antworten!

Jetzt ist G. schrieb:
> Du musst dir die Stromfluesse anschauen.

Genau, das hatte ich vor. Aber wie man hierbei genau vorgeht ist mir wie 
gesagt noch nicht ganz klar. Also wirklich die Funktion des Wandlers in 
CST nachzubilden klappt bisher nicht wie gewünscht.

Helmut S. schrieb:
> Ich denke die kennst du schon.

Ja genau, die habe ich mir schon angesehen und so weit nachvollzogen. 
Bisher haben diese mir allerdings nicht bedeutend weitergeholfen.

Martin L. schrieb:
> anschließendes
> Simulieren der Schaltung wobei alle Bauteile an die entsprechenden Ports
> vom n-Port aus der Simulation angeschlossen werden. Dann musss man die
> Ströme/Spannungen an den Ports bestimmen und wieder in die Simulation
> geben

Ok, gibt es dazu eine Art Anleitung, die du mir empfehlen könntest oder 
den Namen der Einstellung in CST? Oder ist das hier einfach zu 
beschreiben?

Martin L. schrieb:
> Braucht
> man letzteres nicht sondern nur die Performance der Schaltung mit
> simulierter PCB kann man sich den letzten Schritt sparen.

Nun für mich ist zunächst nur die Performance bzw. die Resonanz der 
Schaltung relevant und nachher dann die leitungsgebundene EMV. hierzu 
sind dann die Spannungen/Ströme der Ports irrelevant? Möchtest du das 
damit sagen?

Martin L. schrieb:
> macht das
> höchstens akademisch Sinn

Ja dafür ist es auch gedacht. Rein akademisch, um mal zu sehen, wie so 
etwas mit diesem Program realisiert werden kann bzw. was die Ergebnisse 
sind. Entsprechend kommen Messungen an einem physischen Prototypen nicht 
in Frage.

[Purzel H. (hacky)]

Was CST auch kann ist die Kopplung jeder Bahn gegen jede Bahn als S 
parameter. Jetzt muss du nur noch die passenden Bahnen betrachten ...

[Michael D. (sirs)]

Jetzt ist G. schrieb:
> Was CST auch kann ist die Kopplung jeder Bahn gegen jede Bahn als S
> parameter. Jetzt muss du nur noch die passenden Bahnen betrachten ...

Das Problem ist, dass nicht nur Bahnen koppeln. Auch die Spulen werden 
streufeld erzeugen. Da hat man schneller die Oberwellen aus dem 
Schaltnetzteil ausgekoppelt als man die Filter dafür eingebaut hat.

Eine Methode um den Berechnungsaufwand etwas zu reduzieren könnte sein, 
nur die Schaltfrequenz und deren Oberwellen zu betrachten (plus 
vielleicht noch Subharmonische, also 1/2 und 1/4 der Schaltfrequenz).

Ich habe hier auch ein Meanwell-Netzteil liegen, das auf 120 MHz rumsaut 
wie sonstwas. Schaltfrequenz ist viel niedriger, aber das koppelt wohl 
trotz Filter und PFC nach draußen. Oder die PFC sorgt für die spektrale 
Sauerei?

Flächen bzw Stromkreise minimieren ist wichtig. Man darf die GND-Flächen 
aber auch nicht vergessen, wenn welche vorhanden sind.

[Purzel H. (hacky)]

Nun, die 120MHz ... kommt von den Umschaltspitzen. Man sollte sich 
zuerst auf diese fokusieren, bevor man die 100kHz anschaut.

Bei den Trafos und Spulen hab ich am Liebsten maximal Geschlossene.