Simulation driven EMC design of embedded systems

Abstract

Increasing number of electric products on the market create a challenge for the product development. The goal of the electromagnetic compatibility design is to ensure that devices are able to operate in their intended environments without any degradation of performance. This requires that equipment immunity level must be higher than system disturbance level. Along with maintaining functionality under the electromagnetic interference, devices cannot emit more electromagnetic disturbances than the standards allow. Additional requirements may come from internal demands. With circuit simulations and newly emerged 3D electromagnetic field solvers, designers have powerful tools to evaluate the device’s performance. One motivation is to detect issues through simulations, early in the development phase. This can avoid expensive and more time-consuming prototype building and testing. Electromagnetic interference can travel by radiation and conduction. Tools to mitigate both of them are explained in theory and then illustrated via the practical part of the work. For the radiative study, shielding effectiveness of a battery housing is measured in an anechoic chamber. An equivalent model is then built in ANYS HFSS and simulations carried out. To study the conductive coupling, both the common mode and differential mode attenuations are measured for an automotive power line filter. An analogous circuit model is built and simulated in LTSpice. Correlation between the measurements and proposed simulation models are discussed. With the shielding effectiveness, absolute values between the measured data and simulated results differ notably but relative behaviour per frequency correspond more closely. This means that critical frequencies can be obtained from simulations. Typically, these frequencies originate from the device dimensions as well as component selection and layout. Easy manipulation of simulation models enables that the causes can be found and correct modifications implemented quickly. Simulated attenuation results for the filter were shifted in frequency axis. This was due to the simplistic circuit model, where parasitic properties between the components were omitted. Simulation models were concluded to be adequate. However, multiple sources of error both in measurements and in simulations were found. Some of them, like the resolution of simulation results, can be solved with increasing the computing capability. Other factors, like the inherent inaccuracies related to near field measurements can only be minimized. Geometry simplification is shown to be justifiable, especially when the target is to get preliminary results.

Kasvava määrä elektronisia laitteita markkinoilla asettaa haasteita tuotekehitykselle. Sähkömagneettinen yhteensopivuus tarkoittaa laitteiden kykyä säilyttää suorituskyky niille tarkoitetussa ympäristössä. Tämä vaatii riittävää marginaalia laitteen sietotason ja häiriötason välille. Immuniteetin lisäksi laitteen sähkömagneettiset päästötasot ovat rajattu soveltuvissa standardeissa. Tämän lisäksi yrityksellä saattaa olla sisäisiä, tiukempia päästö- tai sietovaatimuksia. Yleisesti rajat ovat ajoneuvoteollisuudessa vaativia ja sähkömagneettien yhteensopivuus onkin otettava huomioon yhtenä suunnittelun osa-alueena. Suunnittelijoilla on laaja työkaluvalikoima laitteen suorituskyvyn arviontiin. Perinteisten piirisimulaattorien ohella sähkömagneettiset 3D simulaattorit ovat yleistyneet laskentakapasiteetin kasvun ansioista. Tavoitteena on löytää ongelmien lähteet jo varhaisessa vaiheessa suunnitteluprosessia. Tämä vähentää tarvetta enemmän resursseja vaativien fyysisten prototyyppien rakentamiselle ja testaamiselle. Sähkömagneettinen häiriö voi kulkeutua laitteiden välillä säteilemällä ja johtumalla. Teoriaosuudessa on esitetty keinoja molempien kulkeutumismuotojen torjumiseksi, jonka jälkeen työosuudessa kyseisiä keinoja on tutkittu tarkemmin. Säteilevän kulkeutumisen havainnollistamiseksi tutkimuskohteeksi on valittu akkupaketin sähkökentän suojaustehokkuus. Mittaukset ovat suoritettu kaiuttomassa kammiossa ja vastaava simulaatiomalli on rakennettu ja simuloitu ANSYS HFSS ohjelmistolla. Johtuvien häiriöiden vaimennusta on demonstroitu yksivaiheisen suodattimen läpimenovaimennuksella. Sekä yhteis- että eromuotoisen häiriön vaimennukset ovat mitattu laboratoriossa ja simuloitu LTSpice piirisimulattorilla. Vastaavuutta mitattujen ja simuloitujen tuloksien välillä on vertailtu. Akkupaketin suojaustehokkuudessa absoluuttisten arvojen välillä on merkittävä ero, mutta molemmat tulokset noudattavat samaa trendiä taajuuden suhteen. Tämä tarkoittaa, että kriittiset taajuudet saadaan selvitettyä simulaatioista. Nämä taajuudet voivat johtua laitteen fyysisistä mitoista sekä komponenttien valinnoista ja sijoittelusta. Näitä parametreja muokkaamalla simulaatiomallissa ongelmakohdat saadaan paikallistettua ja oikeat korjauskeinot toteutettua. Suodattimen tapauksessa simulaatiotulokset vastasivat mitattuja tuloksia lukuun ottamatta siirtymää taajuustasossa. Tämä siirtymä johtui käytetystä yksinkertaisesta piirimallista, jossa parasiittisia ominaisuuksia komponenttien välillä ei oltu huomioitu. Simulaatiomallit tuottivat riittäviä tuloksia, mutta suurimmat virhelähteet on tärkeää tiedostaa. Jotkut virhelähteet, kuten liian karkea taajuuspyyhkäisy, voidaan minimoida kasvattamalla laskentakapasiteettia. Toisia virhelähteitä, kuten lähikenttämittauksissa syntyviä epätarkkuuksia voidaan vain minimoida. Geometrian yksinkertaistus 3D simulointeja varten todettiin perustelluksi, varsinkin kun tavoitteena on saada alustavia tuloksia laitteen suorituskyvystä.