DE102019212782B3

DE102019212782B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen eines Verhaltensmodells für die Simulation von elektromagnetischen Störemissionen einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente. Verfahren und Simulationsvorrichtung zur Simulation einer Komponente anhand eines der Komponente zugeordneten Verhaltensmodells, Computerprogramm sowie maschinenlesbares Speichermedium

Info

Publication number: DE102019212782B3
Application number: DE102019212782.7A
Authority: DE
Inventors: Hermann Aichele; Philipp Hillenbrand
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2039-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Verhaltensmodells, insbesondere eines EMV-Verhaltensmodells, in Form von Modelldaten für die Messung einer Störstrahlung einer durch das Verhaltensmodell beschriebenen elektrischen oder elektronischen Komponente (1) in einer Simulationsvorrichtung mithilfe eines Messempfängers (10), insbesondere nach der Norm CISPR16, wobei das Verhaltensmodell ausgebildet ist, das Verhalten an einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen (A1, A2) der zu simulierenden Komponente (1) zu beschreiben, indem das elektrische Verhalten an jedem der Anschlüsse (A1, A2) der Komponente (1) durch einen Anschluss-Äquivalenzschaltkreis als die Wirkung von komplexen, frequenzabhängigen elektrischen Größen von passiven elektrischen Bauelementen, insbesondere Admittanzen oder Impedanzen, und eines Quellelements, insbesondere einer Spannungs- und/oder einer Stromquelle, beschrieben wird, wobei das Verhaltensmodell zur Beschreibung eines Verhaltens der Komponente bei einer Messung mit dem Messempfänger (10) erstellt wird, indem bei einer realen Messung mit dem Messempfänger (10) ein beispielhaftes Messkanal-Signal an jedem Anschluss (A1, A2) der Komponente (1) in zeitlich versetzten Zeitbereichen mithilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum transformiert wird und die erhaltenen Frequenzspektren durch frequenzweise Mittelwertbildung oder frequenzweise Maximalwertauswahl zu einem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. zu einem Spitzenwertfrequenzspektrum verarbeitet werden, wobei die Quellenelemente für jeden Anschluss (A1, A2) des Verhaltensmodells abhängig von dem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. dem Spitzenwertfrequenzspektrum bestimmt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Simulation der elektromagnetischen Verträglichkeit von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Bereitstellen von EMV-Verhaltensmodellen (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) für die Simulation von elektromagnetischen Störemissionen von Komponenten, um ein Verhalten der Komponente in einem realen System vorherzusagen.
Technischer Hintergrund
In der Praxis wird das EMV-Verhalten von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten in einem System simuliert, um festzustellen, ob zum einen ein störungsfreier Betrieb des Systems möglich ist, und ob zum anderen die Belastung der Umgebung des Systems durch elektromagnetische Strahlung die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschreitet. Ein wesentliches Kennzeichen des EMV-Verhaltensmodells ist, dass lediglich das Verhalten der Komponente beschrieben wird, ohne relevante Informationen über den Aufbau der Komponente preiszugeben. Dadurch kann das Knowhow in der Komponente geschützt werden, und gleichzeitig wird für die Komponente ein Simulationsmodell zur Verfügung gestellt
Neue Beschreibungsseite 1a (Reinfassung)
werden, das das Verhalten bezüglich elektromagnetischer Störemissionen der Komponente hinreichend beschreibt.
Aus der DE 10 2009 002 550 A1 ist ein Verfahren zur Erstellung von zur Analyse der elektromagnetischen Verträglichkeit geeigneten Ersatzschaltbildern bekannt.
Die US 2014 / 0 368 217 A1 offenbart eine EMV-Analysesimulationstechnologie, welche innerhalb einer angemessenen Zeit und durch eine kostengünstige Berechnung bestimmen kann, ob ein EMV-Standard eines noch aufzubauenden Systems erfüllt sein wird.
Das Dokument „HORMAIER, Klaus; ZANGL, Hubert; ZOJER, Herbert: An EMI Receiver Model to Evaluate Electromagnetic Emissions by Simulation. In 2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, Graz, 2012, S. 2558-2562" offenbart ein EMI-Empfängermodell für die Verwendung während der Entwurfsphase von integrierten Schaltkreisen, wobei der Ansatz auf der Kurzzeit-Fourier-Transformation basiert.
Das Dokument „STEVANOVIC, Ivica [et al.]: High-Frequency Behavioral Multiconductor Cable Modeling for EMI Simulations in Power Electronics. In IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 10, Nr. 2, Mai 2014,S. 1392-1400" offenbart ein Verfahren zur Erstellung von Hochfrequenzmodellen von langen Multileiterkabeln, wie sie in Energieverteilungsnetzen und Motorantrieben vorkommen, um eine Vorhersage zu EMI Emissionen zu treffen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bereitstellen eines EMV-Verhaltensmodells für die Simulation eines von einem Messempfänger ermittelten EMV-Verhaltens einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung, ein Verfahren zum Simulieren eines von einem Messempfänger ermittelten EMV-Verhaltens einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente und eine Simulationsvorrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren, insbesondere ein computer-implementiertes Verfahren zum Bereitstellen eines Verhaltensmodells, insbesondere eines EMV-Verhaltensmodells, in Form von Modelldaten für die Simulation einer Messung einer Störstrahlung einer durch das Verhaltensmodell beschriebenen elektrischen oder elektronischen Komponente in einer Simulationsvorrichtung mithilfe eines Messempfängers, insbesondere nach der Norm CISPR16, vorgesehen. Das Verhaltensmodell ist ausgebildet, das Verhalten an einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen der zu simulierenden Komponente zu beschreiben, indem das elektrische Verhalten an jedem der Anschlüsse der Komponente durch einen Anschluss-Äquivalenzschaltkreis als die Wirkung von komplexen, frequenzabhängigen elektrischen Größen von passiven elektrischen Bauelementen, insbesondere Admittanzen oder Impedanzen, und eines Quellelements, insbesondere einer Spannungs- und/oder einer Stromquelle, beschrieben wird. Das Verhaltensmodell wird zur Beschreibung eines Verhaltens der Komponente bei einer Messung mit dem Messempfänger erstellt, indem bei einer realen Messung mit dem Messempfänger ein beispielhaftes Messkanal-Signal an jedem Anschluss der Komponente in zeitlich versetzten Zeitbereichen mithilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum transformiert wird und die erhaltenen Frequenzspektren durch frequenzweise Mit-telwertbildung oder frequenzweise Maximalwertauswahl zu einem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. zu einem Spitzenwertfrequenzspektrum verarbeitet werden, wobei die Quellenelemente für jeden Anschluss des Verhaltensmodells abhängig von dem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. dem Spitzenwertfrequenzspektrum bestimmt werden.
Die vollständige Simulation von elektromagnetischen Wechselwirkungen einer Komponente, wie z.B. eines Elektromotors, einer Zündkerze, einer Radioempfangseinheit und dergleichen, in einem System erfordert in der Regel ein ausführliches Wissen über die funktionalen und parasitären Elemente der Komponente. Simulationsmodelle müssten daher alle elektromagnetischen Kopplungseffekte innerhalb der Komponente und zwischen der Komponente und dem übrigen System berücksichtigen. Dazu ist jedoch ein aufwendiger Entwicklungsprozess notwendig, insbesondere wenn der interne Aufbau der Komponente ganz oder teilweise unbekannt ist.
Mithilfe von EMV-Verhaltensmodellen kann der Entwicklungsprozess und der Prozess der Evaluierung des Einsatzes der Komponente innerhalb eines Systems erheblich vereinfacht werden. Derartige Verhaltensmodelle verwenden einen Anschluss-Äquivalenzschaltkreis, der das Verhalten der Komponente an den Anschlüssen wiedergibt, anstatt alle Interferenzquellen und Kopplungseffekte innerhalb der Komponente zu modellieren. Konventionelle Ansätze verwenden entweder einen Äquivalenzschaltkreis basierend auf Norton oder Thevenin. Beispielsweise verwendet die Thevenin-Theorie Impedanzelemente in Kombination mit Stromquellen, um das Verhalten eines Anschlusses der Komponente zu modellieren.
Das Touchstone-Format ist herkömmlich als ein Textdatei-Format zum Speichern von Netzwerkparametern, meistens von Messdaten bekannt. In dem Touchstone-Format können Scattering-.Parameter, Admittanzparameter, Impedanzparameter, Hybrid-h-Prameter sowie Hybrid-g-Parameter beschrieben werden. Das Touchstone-Format kann verwendet werden, das Verhalten einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente hinsichtlich ihres EMV-Verhaltens für alle elektrischen Anschlüsse der Komponente basierend auf Induktivitäten und damit gekoppelten Stromquellen zu beschreiben.
Systemhersteller (OEM: Original Equipment Manufacturer) und allgemeine Standards definieren bzw. überprüfen das Störstrahlungsverhalten von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten bzw. Geräten hinsichtlich der Messungen von verschiedenen Messempfängerdetektoren, wie z.B. Spitzenwertdetektor, Mittelwertdetekor und dergleichen, in einem Messempfänger. Der Messempfänger akkumuliert dabei die Strahlungsleistungen von Frequenzbereichen, so dass ein einfaches Verhaltensmodell, das ein frequenzabhängiges jedoch nicht ein frequenzbereichsabhängiges Verhalten angibt, die Ergebnisse des Messempfängers nicht ohne Weiteres vorhersagen kann.
Das obige Verfahren berücksichtigt die Eigenschaften des Messempfängers bereits bei der Modellerstellung. Denn eine direkte Modellerstellung mit dem Messempfänger ist nicht möglich, da die im Handel verfügbaren Geräte nur einen Eingangskanal aufweisen.
Zur Modellerstellung wird üblicherweise ein Oszilloskop verwendet und die Validierung des Verhaltensmodells ebenfalls mit einem Oszilloskop durchgeführt. Für die Messungen von elektromagnetischen Störemissionen ist jedoch die Verwendung eines Messempfängers vorgeschrieben, der eine besondere Charakteristik der Durchführung einer Messung aufweist.
Die Funktion des Messempfängers ist in der Norm CISPR 16 festgelegt, wobei das Messergebnis dabei maßgeblich von der Art des Detektors, der Empfängerbandbreite und der Messdauer abhängig ist. Das bereitzustellende Verhaltensmodell muss daher auf diese Eigenschaften abgestimmt sein, da diese nicht nachträglich hinzugefügt bzw. berücksichtigt werden.
Das obige Verfahren sieht daher vor, das Verhaltensmodell so bereitzustellen, dass die Messergebnisse des Messempfängers im Wesentlichen durch Simulation mithilfe des Verhaltensmodells abgebildet werden können. Dazu werden die Messeigenschaften der Messempfängerdetektoren in das Verhaltensmodell integriert, um anhand von Simulationen der elektrischen bzw. elektronischen Komponente basierend auf dem Verhaltensmodell die voraussichtlichen Ergebnisse einer Messung mit einem Messempfänger vorherzusagen.
Die Funktionalität des Messempfängers und des darin verwendeten Messempfängerdetektors kann mithilfe einer Kurzzeit-FFT (STFFT: short-time fast Fourier transformation) ermittelt werden. Das Verfahren basiert auf einer Zeitreihenmessung eines Messkanal-Signals oder mehrerer Messkanal-Signale gleichzeitig. Die STFFT wird auf alle gemessenen Messkanal-Signale angewendet, so dass sich jeweils überlappende Zeitbereiche in den Frequenzbereich transformiert und die resultierende Amplitudenverteilung akkumuliert werden.
Mithilfe einer Fensterfunktion, die auf alle Zeitbereiche angewendet wird, werden Leckeffekte minimiert. Bei einer geeigneten Fensterfunktion und Dauer der Zeitbereiche erhält man eine sehr ähnliche Frequenzantwort und Selektivität wie in einem Messempfänger. Der beschriebene Kurzzeit-FFT-Algorithmus ermöglicht es somit, die Ergebnisse eines Messempfängerdetektors eines Messempfängers zu emulieren einschließlich der relativen Phaseninformation zwischen den Messkanälen.
Für die Anzahl N von Zeitbereichen erhält man N komplexe Frequenzspektren für jedes der gemessenen Messkanal-Signale. Entsprechend der jeweils maximalen Amplituden V aller Frequenzen (Messkanal j) des Frequenzspektrums, die für die Zeitbereiche einer Anschlussspannung berechnet worden ist, wird das Verhalten bei Messung mit einem Spitzenwertdetektor ermittelt. $| V_{j} | e^{j φ_{1}} = max (F F T (V_{j} (t))$
wobei φ₁ der Phasenlage entspricht.
Entsprechend der jeweils mittleren Amplituden aller Frequenzen des Frequenzspektrum, die für die Zeitbereiche einer Anschlussspannung berechnet worden ist, wird das Verhalten bei Messung mit einem Mittelwertdetektor ermittelt. $| V_{j} | e^{j φ_{1}} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} a b s (F F T (V_{j} (t) | t \in i)$
Das Ergebnis des Mittelwertdetektors ergibt sich also aus dem Mittelwert der Ergebnisse von allen Fourier-Transformationen, und das Ergebnis des Spitzenwertdetektors ergibt sich aus dem Maximalwert der Ergebnisse von allen Fourier-Transformationen.
Bei einer gleichzeitigen Vermessung aller Messkanäle mit einer identischen Zeitbasis der Zeitbereiche wird sichergestellt, dass jeder Zeitbereich des Zeitreihensignals zum selben Zeitpunkt wie bei den übrigen Messkanälen startet. Man erhält ein Spitzenwertfrequenzspektrum bzw. ein Mittelwertfrequenzspektrum für jeden Messkanal. Die absolute Phaseninformation dieser Spektren hängt von dem Trigger oder dem Startzeitpunkt des gesamten Zeitreihensignals ab und ist nicht vorbestimmt. Die relative Phasenbeziehung zwischen zwei Messkanälen ist unabhängig von dem Startzeitpunkt und identifiziert die Störungsmodi der mehreren Messkanäle: $Δ φ = a r g {\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (F F T (V_{j} (t) | t \in i) * (F F T (V_{k} (t) | t \in i)}$
wobei j,k Messkanalindices entsprechen.
Das Verhaltensmodell verwendet dann die frequenzabhängigen Spannungen des ermittelten Frequenzspektrums für die in dem Simulationsmodell für jeden Messkanal vorgesehenen Quellenelemente, d.h. Strom- oder Spannungsquellen.
Das obige Verfahren sieht vor, ein EMV-Verhaltensmodell für eine elektrische bzw. elektronische Komponente zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Ergebnisse einer Vermessung mit einem Messempfänger simulieren lässt. Das Verhaltensmodell soll dazu in einem Format vorgesehen werden, das es ermöglicht, unabhängige Quellelemente, wie beispielsweise Strom oder Spannungsquellen, in das EMV-Verhaltensmodell einzubeziehen, ohne dass eine entsprechende Simulationssoftware, die das EMV-Verhaltensmodell auswertet, modifiziert werden muss.
Ein grundlegender Vorteil der Verwendung eines Touchstone-Modells besteht darin, dass dieses nur Daten bezüglich des Verhaltens an den Anschlüssen der Komponente enthält, so dass ein Austausch des EMV-Verhaltensmodells zwischen unterschiedlichen Parteien ohne die Preisgabe von System-Knowhow möglich ist. Die Nutzung des Anschluss-Äquivalenzschaltkreises als Dateiformat für das EMV-Verhaltensmodell ermöglicht die Definition von passiven Netzwerkparametern, wie Scattering, Admittanz, Impedanz und Hybridparametern. Mithilfe der obigen Vorgehensweise kann das Verhaltensmodell so bereitgestellt werden, dass es die Messergebnisse eines Messempfängers simulieren kann.
Weiterhin kann das Verhaltensmodell die Anschlüsse in Bezug auf ein Massepotenzial definieren.
Insbesondere kann das Verhaltensmodell in einem Touchstone-Format bereitgestellt werden.
Weiterhin können sich die zeitlich versetzten Zeitbereiche der Messkanal-Signale überlappen, insbesondere zu zwischen 70% und 99%, insbesondere zu z.B. 90%, und insbesondere eine Dauer aufweisen, die einem Kehrwert einer vorgegebenen Messempfängerfrequenz, d.h. das Inverse der gewählten Empfängerbandbreite, entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform können die Admittanzen/Impedanzen jedes Anschlusses frequenzabhängig mithilfe eines Oszilloskops oder mithilfe eines Netzwerkanalysators bestimmt werden. Weiterhin können die Quellenelemente, d.h. die Strom- oder Spannungsquellen, frequenzabhängig auf Basis einer Oszilloskopmessung mit anschließender Fouriertransformation bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Verhaltensmodells, insbesondere eines EMV-Verhaltensmodells, in Form von Modelldaten für die Messung einer Störstrahlung einer durch das Verhaltensmodell beschriebenen elektrischen oder elektronischen Komponente in einer Simulationsvorrichtung mithilfe eines Messempfängers, insbesondere nach der Norm CISPR16, vorgesehen. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um das Verhaltensmodell zur Beschreibung eines Verhaltens der Komponente bei einer Messung mit dem Messempfänger zu erstellen, indem bei einer realen Messung mit dem Messempfänger ein beispielhaftes Messkanal-Signal an jedem Anschluss der Komponente in zeitlich versetzten Zeitbereichen mithilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum transformiert wird und die erhaltenen Frequenzspektren durch frequenzweise Mittelwertbildung oder frequenzweise Maximalwertauswahl zu einem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. zu einem Spitzenwertfrequenzspektrum verarbeitet werden, wobei die Quellenelemente für jeden Anschluss des Verhaltensmodells abhängig von dem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. dem Spitzenwertfrequenzspektrum bestimmt werden. Eine solche Vorrichtung ermöglicht die automatische oder halbautomatische Vermessung der Komponente insbesondere durch eine Computerimplementierung des oben beschriebenen Verfahrens zum Bereitstellen des Verhaltensmodells.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Simulation einer Komponente anhand eines der Komponente zugeordneten Verhaltensmodells vorgesehen, wobei das Verhalten der Komponente bei einer Messung mit einem Messempfänger gemäß der Norm CISPR16 mithilfe des Verhaltensmodells, das entsprechend dem obigen Verfahren ermittelt ist, simuliert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Simulationsvorrichtung zur Simulation einer Komponente anhand eines der Komponente zugeordneten Verhaltensmodells vorgesehen, wobei die Simulationsvorrichtung ausgebildet ist, um das Verhalten der Komponente bei einer Messung mit einem Messempfänger nach der Norm CISPR 16 zu simulieren. Eine solche Simulationsvorrichtung ermöglicht anwenderseitig die computerimplementierte EMV-Simulation der Komponente durch Nutzung des bereitgestellten Verhaltensmodells.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine graphische Darstellung eines Systems zur Vermessung einer Komponente, um einen Anschluss-Äquivalenzschaltkreis zu bestimmen;
2 eine Anordnung zur Messung der Stromquellen für den Anschluss-Äquivalenzschaltkreis;
3 eine Blockdarstellung eines Messempfängers;
4 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Frequenzspektrums zur Emulation eines Messempfängers mit einem Verhaltensmodell;
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bereitstellen eines EMV-Verhaltensmodell für die Simulation einer Messung mit dem Messempfänger; und
6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bereitstellen eines EMV-Verhaltensmodells und Simulation einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente basierend auf dem EMV-Verhaltensmodell; und

Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist eine elektrische bzw. elektronische Komponente 1 mit zwei Anschlüssen A und B mit einem internen Hilfsschaltkreis dargestellt, um die allgemeine Idee des Anschluss-Äquivalenzschaltkreises und das entsprechende EMV-Verhaltensmodell zu illustrieren. Zu der elektrische bzw. elektronische Komponente 1 soll durch Vermessen eine Modellkomponente erstellt werden, die einem Simulationsmodell für die elektrische bzw. elektronische Komponente 1 entspricht.
Die elektronische Komponente 1 weist im hier beschriebenen Beispiel zwei Anschlüsse auf, die in der Modellkomponente als A1 und A2 bezeichnet sind, im allgemeinen Fall kann die Komponente beliebig viele Anschlüsse aufweisen. Jeder Anschluss A1, A2 ist dazu bezüglich eines Massepotenzials GND definiert. Die zu modellierende elektrische bzw. elektronische Komponente 1 weist ein lineares und zeitinvariantes Verhalten an dem zu modellierenden Anschluss auf. Die Komponente 1 kann aktiv oder passiv sein, wobei im Folgenden angenommen wird, dass die Anschlüsse A1, A2 aktiv sind.
Die Verhaltenscharakterisierung der beiden Anschlüsse erfolgt durch Bestimmung einer zugehörigen Impedanz-/Admittanzmatrix und der Charakteristik der Stromquellen für jeden der Anschlüsse A1, A2. Im beschriebenen Beispiel könnte die entstehende Schaltung wie in 2 dargestellt beschrieben werden. Im weiteren wird von Admittanzen und Stromquellen als Elementen des Anschluss-Äquivalenzschaltkreises ausgegangen.
Nach bisheriger Vorgehensweise erfolgt die Verhaltenscharakterisierung an den Anschlüssen A1, A2 durch Anschließen von verschiedenen externen Lasten an den jeweiligen Anschluss A1, A2. Jede der Lastbedingungen erzeugt Ströme und Spannungen an allen Anschlüssen. Die Anzahl der erforderlichen Lastbedingungen hängt damit von der Anzahl der Anschlüsse ab. In der Zeitdomäne existieren Werte für jeden Zeitschritt. In der Frequenzdomäne existieren ein komplexe Werte für alle Frequenzen. Für die Ermittlung der gesuchten Impedanzen/Admittanzen und Stromquellen muss entsprechend ein Gleichungssystem mit den Daten aus allen Lastbedingungen gelöst werden.
Für die Erstellung des gesamten Verhaltensmodells würde diese Vorgehensweise mit komplexen Werten für alle interessierenden Frequenzpunkte erfordern. Da auch die Phasenlagen der Ströme und Spannungen relevant sind, müssten die Phasenbezüge der Größen an den Anschlüssen zueinander sowie auch bezüglich der für die Vermessung verwendeten Lastbedingungen zueinander bekannt sein. In der Praxis ist dieser Phasenbezug selten bekannt. Diese Vorgehensweise würde zudem eine starke Änderung der Lastbedingung erfordern, die oft zu unerwünschten nichtlinearen Verhaltensänderungen der vermessenen Komponente führen kann, so dass diese Vorgehensweise aus den beschriebenen Gründen nur für Modelle sinnvoll anwendbar ist.
In der Regel weisen Komponenten an ihren Anschlüssen eine Mischung aus linear zeitinvariantem und nichtlinear oder zeitvarianten Verhalten auf. Für die nachfolgend beschriebene Modellerstellung wird angenommen, dass die äquivalenten Admittanzen des Anschluss-Äquivalenzschaltkreises ein lediglich linear zeitinvariantes Verhalten aufweisen und mit entsprechenden Elementen beschrieben werden können. Dies ist möglich, da die passiven linearen zeitinvarianten Strukturen, wie z.B. passive EMI-Filter nahe der Anschlüsse der Komponente, in der Regel die wichtigste Einflussgröße auf die äquivalente Impedanz/Admittanz darstellen. In diesem Fall kann eine Messung mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) die Impedanzelemente in einem passiven Zustand der Komponente bestimmt werden. Die VNA-Messung liefert Scattering-Parameter, die zu Admittanzparametern transformierbar sind und die den Impedanzelementen des Thevenin-Äquivalenzschaltkreises entsprechen können. Nach diesem Schritt sind die Stromquellen des Äquivalenzschaltkreises die verbleibenden unbekannten Elemente.
Die Vermessung der Quellenelemente (Stromquellen) für den Anschluss-Äquivalenzschaltkreis kann durch Messung einer frequenzabhängigen elektrischen Größe des Quellenelementes, d.h. eines Stroms oder einer Spannung, basierend auf den zuvor ermittelten Admittanzen/Impedanzen unter einer definierten Lastbedingung vorgesehen werden. Dies kann durch gleichzeitige Messung in einem einzigen Lastzustand und durch Ermittlung der Größe einer dem jeweiligen Anschluss A1, A2 zugeordneten Stromquelle durchgeführt werden. Dazu wird die Komponente aktiv betrieben, wie beispielhaft durch das Anlegen von Lasten Y_load in 2 dargestellt und die resultierenden Spannungen oder Ströme V_A1 oder I_A1 bzw. V_A2 oder I_A2 an den Anschlüssen A1, A2 gemessen. Aus diesen Größen können zusammen mit der gemessenen passiven Impedanz/Admittanzmatrix sowie den bekannten äußeren Lasten die gesuchten Quellenelemente des Modells berechnet werden. Dadurch kann eine stabile Modellerzeugung gewährleistet werden, weil nur ein Lastzustand notwendig ist, unabhängig von der Anzahl der Anschlüsse.
Ein so erstelltes Verhaltensmodell kann in einem Beschreibungsformat dargestellt werden, wie es beispielsweise als ein Touchstone-Format bekannt ist. Das Touchstone-Format ist aus dem Stand der Technik (EIA/IBIS Open Forum) bekannt und sieht die Beschreibung des elektrischen Verhaltens eines Anschlusses durch eine Admittanz/Impedanz und eine Strom- bzw. Spannungsquelle vor.
Neben der Simulation der Wechselwirkung der Komponente mit einem System abhängig von unterschiedlichen Frequenzen werden auch die Störemissionen der Komponente für die Auslegung der Komponente untersucht. Die Störemissionen einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente werden in der Regel mit einem so genannten Messempfänger nach der Norm CISPR 16 ermittelt. Das Ergebnis einer solchen Messempfängermessung lässt sich jedoch mit Verhaltensmodellen, die nach dem obigen Verfahren erstellt sind, nicht simulieren. Somit sind für die Verhaltenscharakterisierung einer Komponente hinsichtlich einer Vermessung mit einem Messempfänger die Erstellung eines oder mehrerer spezieller Verhaltensmodelle erforderlich.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Messempfängers 10, wie er in der Norm CISPR 16 definiert ist. Der Messempfänger 10 weist einen Vorfilter 11, einen Mischer 12 zum Mischen mit einem vorgegebenen Frequenzsignal F , einen Bandpassfilter 13, einen Verstärker 14, einen Demodulator 15 und einen Detektor 16, insbesondere einen Mittelwert oder Spitzenwertdetektor, auf. Der Messempfänger 10 weist einen Detektor 11, insbesondere einen Mittelwertdetektor und/oder einen Spitzenwertdetektor, auf, deren Messergebnisse sich aus dem Mittelwert der Ergebnisse von allen Fourier-Transformationen eines Messkanals bzw. eines Spitzenwerts der Ergebnisse von allen Fourier-Transformationen eines Messkanals ergeben.
Das Verhalten bei einer Messung an einem Anschluss mit einem solchen Messempfänger kann für das Simulationsmodell wie folgt beschrieben werden.
Für jeden der Anschlüsse wird eine Fourier-Transformation in zeitlich zueinander versetzten Zeitbereichen über ein Zeitreihenmesssignal an einem entsprechenden Ausgang der elektrischen bzw. elektronischen Komponente vorgenommen, so dass man entsprechende Frequenzspektren erhält. Diese Vorgehensweise ist in schematisch in 4 dargestellt. Man erkennt für zwei zeitliche Signalverläufe die Bestimmung von Frequenzspektren für zeitlich zueinander versetzte Zeitbereiche i=1, i=2 usw.
Die Funktionalität des Messempfängers und des darin verwendeten Messempfängerdetektors kann mithilfe einer Kurzzeit-FFT (STFFT: short-time fast Fourier transformation) ermittelt werden. Das Verfahren basiert auf einer Zeitreihenmessung eines Messkanal-Signals oder mehrerer Messkanal-Signale gleichzeitig. Die STFFT wird jeweils auf alle gemessenen Signale eines Messkanals angewendet, so dass sich jeweils überlappende Zeitbereiche in den Frequenzbereich transformiert und die resultierende Amplitudenverteilungen akkumuliert werden. Die Überlappung zwischen zwei benachbarten Zeitbereichen kann ca. 90% betragen. Die Signaldauer eines Zeitbereichs wird in der Regel auf das Inverse der gewählten Empfängerbandbreite f_BW eingestellt. Die Empfängerbandbreite beschreibt den Frequenzraum, den der Messempfänger für die Messung berücksichtigt. Für Mobiltelefone kann diese Bandbreite beispielsweise 1 MHz betragen.
Mithilfe einer Fensterfunktion, die auf alle Zeitbereiche angewendet wird, werden Leckeffekte minimiert. Bei einer geeigneten Fensterfunktion und Dauer der Zeitbereiche erhält man eine sehr ähnliche Frequenzantwort und Selektivität wie in einem Messempfänger. Der beschriebene Kurzzeit-FFT-Algorithmus ermöglicht es somit, die Ergebnisse eines Messempfängerdetektors eines Messempfängers zu emulieren einschließlich der relativen Phaseninformation zwischen den Messkanälen.
Für die Anzahl N von Zeitbereichen erhält man N komplexe Frequenzspektren für jedes der gemessenen Messkanal-Signale. Entsprechend der jeweils maximalen Amplituden aller Frequenzen (Messkanal j) des Frequenzspektrums, die für die Zeitbereiche einer Anschlussspannung berechnet worden ist, wird das Verhalten bei Messung mit einem Spitzenwertdetektor ermittelt. $| V_{j} | e^{j φ_{1}} = max (F F T (V_{j} (t))$
Entsprechend der jeweils mittleren Amplituden aller Frequenzen des Frequenzspektrum, die für die Zeitbereiche einer Anschlussspannung berechnet worden ist, wird das Verhalten bei Messung mit einem Mittelwertdetektor ermittelt. $| V_{j} | e^{j φ_{1}} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} a b s (F F T (V_{j} (t) | t \in i)$
Das Ergebnis des Mittelwertdetektors ergibt sich also aus dem Mittelwert der Ergebnisse von allen Fourier-Transformationen, und das Ergebnis des Spitzenwertdetektors ergibt sich aus dem Maximalwert der Ergebnisse von allen Fourier-Transformationen.
Bei einer gleichzeitigen Vermessung aller Messkanäle mit einer identischen Zeitbasis der Zeitbereiche wird sichergestellt, dass jeder Zeitbereich des Zeitreihensignals zum selben Zeitpunkt wie bei den übrigen Messkanälen startet. Man erhält ein Spitzenwertfrequenzspektrum bzw. ein Mittelwertfrequenzspektrum für jeden Messkanal. Die absolute Phaseninformation dieser Spektren hängt von dem Trigger oder dem Startzeitpunkt des gesamten Zeitreihensignals ab und ist nicht vorbestimmt.
Für die Berechnung der Stromquellen benötigt man n linear unabhängige Spannungen. Diese Spannungen sind komplexe Werte. Das Ergebnis beeinflusst damit die Stromquellen des Verhaltensmodells. Die relative Phasenbeziehung Δφ zwischen zwei Messkanälen ist unabhängig von dem Startzeitpunkt und identifiziert die Störungsmodi der mehreren Messkanäle: $Δ φ = a r g {\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (F F T (V_{j} (t) | t \in i) * (F F T (V_{k} (t) | t \in i)}$
wobei j,k Messkanalindices entsprechen.
Das Verhaltensmodell verwendet dann die frequenzabhängigen Spannungen des ermittelten Frequenzspektrums für die in dem Simulationsmodell für jeden Messkanal vorgesehenen Stromquelle.
Das Mittelwertfrequenzspektrum bzw. das Spitzenwertfrequenzspektrum für jeden Ausgang bzw. Messkanal gibt das frequenzabhängige Verhalten (Spannung) für die entsprechende Spannungsquelle an, so dass das Verhalten bei einer Messung mit einem Messempfänger mit einem Mittelwertdetektor oder einem Spitzenwertdetektor nachbildbar ist.
Entsprechend 5 sieht das Verfahren zum Bereitstellen eines EMV-Verhaltensmodell für die Simulation einer Messung mit dem Messempfänger 10 nachfolgend beschriebene Schritte vor.
In Schritt S1 werden reale Messungen mit dem Messempfänger 10 durchgeführt, um Messkanal-Signale an jedem Anschluss A1, A2 der Komponente 1 in zeitlich versetzten Zeitbereichen zu erhalten.
Diese werden in Schritt S2 mithilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum transformiert, um Frequenzspektren für jeden Anschluss A1, A2 und für jeden der zeitlich versetzten Zeitbereiche zu erhalten.
Die Frequenzspektren werden in Schritt S3 durch frequenzweise Mittelwertbildung oder frequenzweise Maximalwertauswahl zu einem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. zu einem Spitzenwertfrequenzspektrum verarbeitet. Dabei werden die Quellenelemente für jeden Anschluss A1, A2 des Verhaltensmodells abhängig von dem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. dem Spitzenwertfrequenzspektrum bestimmt.
In Schritt S4 werden die frequenzabhängigen elektrischen Größen der Admittanzen/Impedanzen entsprechend dem herkömmlichen Verfahren bestimmt.
In Schritt S5 werden zur Bereitstellung des Verhaltensmodells die Anschluss-Äquivalenzschaltkreise entsprechend Anschluss für Anschluss durch die ermittelten Admittanzen/Impedanzen und die elektrische Größe der Quellenelemente erstellt.
6 zeigt anhand eines Flussdiagramms eine beispielhafte Anwendung des vorgeschlagenen Verhaltensmodells.
In Schritt S11 wird von einem Hersteller einer Komponente ein EMV-Verhaltensmodell bereitgestellt, das zur Simulation von EMV-Messungen an der Komponente 1 mithilfe eines Messempfängers 10 ausgebildet ist.
Nach der Übermittlung des Verhaltensmodells kann dieses zur Simulation einer Messung eines Messempfängers, der zur Bestimmung eines EMV-Verhaltens der durch die Modellkomponente des Verhaltensmodells beschriebenen Komponente ausgelegt ist, genutzt werden.
In Schritt S12 wird die Simulation durchgeführt und die Messergebnisse des Messempfängers simuliert.
In Schritt S13 werden die Simulationsergebnisse zur Klassifizierung der Komponente oder als Anlass zur Modifikation der Konfiguration der Komponente verwendet.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines Verhaltensmodells in Form von Modelldaten für die Messung einer Störstrahlung einer durch das Verhaltensmodell beschriebenen elektrischen oder elektronischen Komponente (1) in einer Simulationsvorrichtung mithilfe eines Messempfängers (10), wobei das Verhaltensmodell ausgebildet ist, das Verhalten an einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen (A1, A2) der zu simulierenden Komponente (1) zu beschreiben, indem das elektrische Verhalten an jedem der Anschlüsse (A1, A2) der Komponente (1) durch einen Anschluss-Äquivalenzschaltkreis als die Wirkung von komplexen, frequenzabhängigen elektrischen Größen von passiven elektrischen Bauelementen und eines Quellelements beschrieben wird, wobei das Verhaltensmodell zur Beschreibung eines Verhaltens der Komponente bei einer Messung mit dem Messempfänger (10) erstellt wird, indem bei einer realen Messung mit dem Messempfänger (10) ein beispielhaftes Messkanal-Signal an jedem Anschluss (A1, A2) der Komponente (1) in zeitlich versetzten Zeitbereichen mithilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum transformiert wird (S2) und die erhaltenen Frequenzspektren durch frequenzweise Mittelwertbildung oder frequenzweise Maximalwertauswahl zu einem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. zu einem Spitzenwertfrequenzspektrum verarbeitet werden (S3), wobei die Quellenelemente für jeden Anschluss (A1, A2) des Verhaltensmodells abhängig von dem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. dem Spitzenwertfrequenzspektrum bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhaltensmodell die Anschlüsse (A1, A2) in Bezug auf ein Massepotenzial und in Bezug zu den übrigen der Anschlüsse definiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zeitlich versetzten Zeitbereiche überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Quellenelemente des Verhaltensmodells frequenzabhängig auf Basis einer Oszilloskopmessung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Admittanzen/Impedanzen jedes Anschlusses frequenzabhängig mithilfe eines Oszilloskops oder mithilfe eines Netzwerkanalysators bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verhaltensmodell in einem Touchstone-Format bereitgestellt wird.
Vorrichtung zum Bereitstellen eines Verhaltensmodells in Form von Modelldaten für die Messung einer Störstrahlung einer durch das Verhaltensmodell beschriebenen elektrischen oder elektronischen Komponente (1) in einer Simulationsvorrichtung mithilfe eines Messempfängers (10), wobei das Verhaltensmodell ausgebildet ist, das Verhalten an einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen (A1, A2) der zu simulierenden Komponente (1) zu beschreiben, indem das elektrische Verhalten an jedem der Anschlüsse (A1, A2) der Komponente (1) durch einen Anschluss-Äquivalenzschaltkreis als die Wirkung von komplexen, frequenzabhängigen elektrischen Größen von passiven elektrischen Bauelementen und eines Quellelements beschrieben wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um das Verhaltensmodell zur Beschreibung eines Verhaltens der Komponente bei einer Messung mit dem Messempfänger (10) zu erstellen, indem bei einer realen Messung mit dem Messempfänger (10) ein beispielhaftes Messkanal-Signal an jedem Anschluss (A1, A2) der Komponente (1) in zeitlich versetzten Zeitbereichen mithilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum transformiert wird und die erhaltenen Frequenzspektren durch frequenzweise Mittelwertbildung oder frequenzweise Maximalwertauswahl zu einem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. zu einem Spitzenwertfrequenzspektrum verarbeitet werden, wobei die Quellenelemente für jeden Anschluss (A1, A2) des Verhaltensmodells abhängig von dem Mittelwert-Frequenzspektrum bzw. dem Spitzenwertfrequenzspektrum bestimmt werden.
Verfahren zur Simulation einer Komponente anhand eines der Komponente zugeordneten Verhaltensmodells, wobei das Verhalten der Komponente bei einer Messung mit einem Messempfänger gemäß der Norm CISPR16 mithilfe eines Verhaltensmodells, das entsprechend des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ermittelt ist, simuliert wird.
Simulationsvorrichtung zur Simulation einer Komponente anhand eines der Komponente zugeordneten Verhaltensmodells, wobei die Simulationsvorrichtung ausgebildet ist, um das Verhalten der Komponente bei einer Messung mit einem Messempfänger gemäß der Norm CISPR16 mithilfe eines Verhaltensmodells, das entsprechend des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ermittelt ist, zu simulieren.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.