DE102021210303A1 - Method for modal analysis and optimization of resonance properties in an electromechanical product - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein computer-implementiertes Verfahren zur Analyse eines CAD-Modells eines elektronischen bzw. elektrischen Systems (1) zur Bestimmung einer Verteilung mindestens einer konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivität, die eine konstruktive Sensitivität einer oder mehrerer Resonanzeigenschaften in einem elektronischen bzw. elektrischen System (1) bezüglich einer geometrischen Position in dem System (1) oder einer Materialeigenschaft in dem System (1) angibt, wobei ein Netzwerkmodell (10) Funktionalbauteile (15), die die elektrischen und elektronischen Bauteile darstellen, und Parasitärbauteile (14), die die wirkenden Impedanzen von geometrischen Strukturen des Systems (1) darstellen, in einer Ersatzschaltung beschreibt. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.The invention relates to a computer-implemented method for analyzing a CAD model of an electronic or electrical system (1) to determine a distribution of at least one constructive resonance property sensitivity which indicates a constructive sensitivity of one or more resonance properties in an electronic or electrical system (1) with respect to a geometric position in the system (1) or a material property in the system (1), a network model (10) functional components (15) representing the electrical and electronic components, and parasitic components (14) representing the effective impedances of geometric structures of the system (1), described in an equivalent circuit. The invention also relates to a computer program product and a machine-readable storage medium.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft die zielgerichtete Anpassung von elektromechanischen Produkten, deren Verhalten sich durch elektronische Schaltungssimulationen beschreiben lässt. Die Erfindung betrifft weiterhin die zielgerichtete Anpassung eines entsprechenden repräsentativen CAD Modells, wobei für die zielverantwortlichen Eigenschaften einer Resonanz verantwortliche Stellen oder Eigenschaften im Modell quantitativ identifiziert werden.The invention relates to the targeted adaptation of electromechanical products whose behavior can be described by electronic circuit simulations. The invention further relates to the targeted adaptation of a corresponding representative CAD model, with the points or properties in the model responsible for the target properties of a resonance being identified quantitatively.
Technischer HintergrundTechnical background
Das EMV-Verhalten eines elektrischen oder elektronischen Systems mit einer elektronischen Schaltung wird in der Regel von dessen geometrischer Konstruktion, dessen Materialeigenschaften, dessen Umgebungseigenschaften und den in der elektronischen Schaltung verwendeten Funktionalbauteilen, wie beispielsweise Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten, bestimmt. Die konstruktiven Merkmale des Aufbaus eines solchen Systems können hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit den Funktionalbauteilen durch ein oder mehrere Parasitärbauteile, die die elektrische Wechselwirkung der geometrischen Konstruktionsmerkmale mit den Funktionalbauteilen angeben können, beschrieben werden.The EMC behavior of an electrical or electronic system with an electronic circuit is usually determined by its geometric construction, its material properties, its environmental properties and the functional components used in the electronic circuit, such as resistors, capacitors and inductances. The design features of the structure of such a system can be described in terms of their interaction with the functional components by one or more parasitic components, which can indicate the electrical interaction of the geometric design features with the functional components.
In der Produktentwicklung derartiger elektronischer bzw. elektrischer Systeme wird begleitend zum 3D CAD Modell ein Netzwerkmodell aus Funktionalbauteilen und Parasitärbauteilen erstellt und simuliert, um deren EMV-Verhalten zu ermitteln.In the product development of such electronic or electrical systems, a network model of functional components and parasitic components is created and simulated to accompany the 3D CAD model in order to determine their EMC behavior.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Analyse und Optimierung eines CAD Modells eines elektromechanischen Produktes bezüglich mindestens einer Resonanzeigenschaft gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.According to the invention, a method for analyzing and optimizing a CAD model of an electromechanical product with regard to at least one resonance property according to
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computer-implementiertes Verfahren zur Analyse eines CAD-Modells eines elektronischen bzw. elektrischen Systems zur Bestimmung einer Verteilung mindestens einer konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivität vorgesehen, die eine Sensitivität einer oder mehrerer Resonanzeigenschaften in einem elektronischen bzw. elektrischen System bezüglich einer geometrischen Position in dem System oder einer Materialeigenschaft in dem System angibt, wobei das Netzwerkmodell Funktionalbauteile, die die elektrischen und elektronischen Bauteile darstellen, und Parasitärbauteile, die die wirkenden Impedanzen von geometrischen Strukturen des Systems darstellen, in einer Ersatzschaltung beschreibt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Auswählen einer Eigenmode entsprechend einer zu analysierenden Resonanz des Systems;
- - Approximieren einer oder mehrerer Resonanzeigenschaften der zu analysierenden Resonanz entsprechend der durch die Eigenschaften einer für die zu analysierende Resonanz verantwortliche Eigenmode;
- - Bestimmen der Resonanzeigenschaftssensitivitäten der einen oder der mehreren Resonanzeigenschaften bezüglich der Impedanz jedes der Parasitärbauteile abhängig von der einen oder der mehreren Resonanzeigenschaften der ausgewählten Eigenmode;
- - Ermitteln der konstruktiven Sensitivitäten der Impedanzen jedes der Parasitärbauteile bezüglich mindestens eines konstruktiven Parameters;
- - Bestimmen der mindestens einen konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivität abhängig von den Resonanzeigenschaftssensitivitäten der einen oder der mehreren Resonanzeigenschaften bezüglich der Impedanz jedes der Parasitärbauteile und den konstruktiven Sensitivitäten der Impedanzen jedes der Parasitärbauteile;
- - Anpassen des Aufbaus und/oder der Konfiguration des Systems abhängig von der mindestens einen konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivität.
- - selecting an eigenmode corresponding to a resonance of the system to be analyzed;
- - approximation of one or more resonance properties of the resonance to be analyzed according to the properties of a responsible for the resonance to be analyzed eigenmode;
- - determining the resonance property sensitivities of the one or more resonance properties with respect to the impedance of each of the parasitic components depending on the one or more resonance properties of the selected eigenmode;
- - determining the constructive sensitivities of the impedances of each of the parasitic components with respect to at least one constructive parameter;
- - determining the at least one constructive resonance property sensitivity dependent on the resonance property sensitivities of the one or more resonance properties with respect to the impedance of each of the parasitic components and the constructive sensitivities of the impedances of each of the parasitic components;
- - Adjusting the structure and/or the configuration of the system depending on the at least one constructive resonance property sensitivity.
Der mindestens eine konstruktive Parameter kann eine geometrische Position in dem System, eine Geometrie eines Funktionalbauteils, und/oder eine Materialeigenschaft, insbesondere eine Permeabilität, eine Leitfähigkeit und/oder eine Permittivität, umfassen.The at least one design parameter can include a geometric position in the system, a geometry of a functional component and/or a material property, in particular a permeability, a conductivity and/or a permittivity.
Insbesondere können die Resonanzeigenschaften eine Güte, eine Amplitude und/oder eine Frequenz der ausgewählten Eigenmode umfassen oder von einer oder einer Kombination dieser Größen abhängen. Diese Resonanzeigenschaften sind entweder einzeln Ziel der Optimierung, also der Erhöhung der Dämpfung oder der Verkleinerung der Amplitude oder der Verschiebung der Resonanzfrequenz, oder Teil einer Mehrzieloptimierung unter Verwendung mindestens einer Resonanzeigenschaft und mindestens einer weiteren Zielgröße, zum Beispiel einer weiteren Resonanzeigenschaft der ausgewählten Resonanz oder der Resonanzeigenschaft einer weiteren Resonanz.In particular, the resonance properties can include a quality, an amplitude and/or a frequency of the selected natural mode or depend on one or a combination of these variables. These resonance properties are either the individual goal of the optimization, i.e. increasing the damping or reducing the amplitude or shifting the resonance frequency, or part of a multi-objective optimization using at least one resonance property and at least one other target variable, for example another resonance property of the selected resonance or the Resonance property of another resonance.
Um die Grenzwerte eines EMV-Verhaltens einer Messgröße einzuhalten, müssen häufig Resonanzen in elektrischen bzw. elektronischen Systemen betrachtet und gegebenenfalls verändert/optimiert werden. In der Regel ist es bei komplexen Systemen aus konstruktiven mechanischen Bauteilen, wie z.B. einer Leiterplatte, einem Gehäuse, einer elektrischen Maschine und dergleichen, und elektronischen Bauteilen nur schwer möglich, auftretende Resonanzen zu identifizieren, zu analysieren und zu optimierenIn order to comply with the limit values of an EMC behavior of a measured variable, resonances in electrical or electronic systems often have to be considered and, if necessary, changed/optimized. As a rule, it is difficult to identify, analyze and optimize any resonances that occur in complex systems made up of constructive mechanical components, such as a printed circuit board, a housing, an electrical machine and the like, and electronic components
Dazu werden in der Regel Simulationen vorgesehen, die ein basierend auf einem Ersatzschaltbild erstelltes Netzwerkmodell nutzen, um das EMV-Verhalten zu simulieren. Zur Erstellung des Netzwerkmodells wird das der elektronischen Schaltung zugrundeliegende Ersatzschaltbild aus Funktionalbauteilen herangezogen. Dieses wird ergänzt durch Parasitärbauteile, die sich aus der konstruktiven Einbettung der elektronischen Schaltung in ein Gesamtsystem ergeben und die Wechselwirkungen der konstruktiven Merkmale mit den Komponenten der elektronischen Schaltung beschreiben. Ein Extraktionsverfahren zur Erstellung eines solchen Netzwerkmodells (Ersatzschaltbilds) aus konstruktiven Bauteilen (Parasitärbauteile) und Bauteilen einer elektronischen Schaltung (Funktionalbauteile) ist aus dem Stand der Technik bekannt, wie z.B. in Jonathan Stysch et al., „Broadband finite-element impedance computation for parasitic extraction“, in Electrical Engineering, Springer, https://doi.org/10.1007/s00202-021-01348-9 und in Sebastian Schuhmacher, „Sensitivity of Lumped Parameters to Geometry Changes in Finite Element Models“, Scientific Computing in Electrical Engineering, Seiten 35-42, Springer: 14 April 2018, Part of the Mathematics in Industry book series (MATHINDUSTRY, volume 28) offenbart ist.For this purpose, simulations are usually provided that use a network model based on an equivalent circuit diagram to simulate the EMC behavior. The equivalent circuit diagram of functional components on which the electronic circuit is based is used to create the network model. This is supplemented by parasitic components that result from the constructive embedding of the electronic circuit in an overall system and describe the interactions of the constructive features with the components of the electronic circuit. An extraction method for creating such a network model (equivalent circuit diagram) from structural components (parasitic components) and components of an electronic circuit (functional components) is known from the prior art, such as in Jonathan Stysch et al., "Broadband finite-element impedance computation for parasitic extraction”, in Electrical Engineering, Springer, https://doi.org/10.1007/s00202-021-01348-9 and in Sebastian Schuhmacher, “Sensitivity of Lumped Parameters to Geometry Changes in Finite Element Models”, Scientific Computing in Electrical Engineering , pages 35-42, Springer: 14 April 2018, Part of the Mathematics in Industry book series (MATHINDUSTRY, volume 28).
Das obige Verfahren ermöglicht eine Analyse eines Gesamtsystems mithilfe eines Netzwerkmodells, um eine konstruktive Sensitivität einer Resonanzeigenschaft bezüglich einer konstruktiven Gegebenheit im Gesamtsystem aufzufinden, die maßgeblich für eine zu untersuchende Resonanz bei einer bestimmten Frequenz verantwortlich ist. Die konstruktive Gegebenheit kann eine Positionsabhängigkeit und/oder eine Materialabhängigkeit umfassen.The above method enables an overall system to be analyzed using a network model in order to find a constructive sensitivity of a resonance property with respect to a constructive condition in the overall system that is largely responsible for a resonance to be examined at a specific frequency. The design constraint may include a position dependency and/or a material dependency.
Dies erfolgt durch Analyse des Netzwerkmodells bezüglich einer Eigenmode, die den wahrscheinlichsten Kandidaten für die Ursache der Resonanz darstellt.This is done by analyzing the network model for an eigenmode that represents the most likely candidate for the cause of the resonance.
Mithilfe einer Eigenwertzerlegung kann das Netzwerkmodell, das die elektrische Wirkung von konstruktiven mechanischen Bauteilen und elektronischen Bauteilen in einem gemeinsamen Netzwerkmodell vereint, analysiert werden. Hierzu wird eine entsprechende Eigenwertzerlegung zur Ermittlung der Potenzial- und Stromverteilung bei den Eigenmoden des Netzwerkmodells durchgeführt. Jedoch ist es nicht ohne weiteres möglich, basierend auf der Potenzial- und Stromverteilung der Eigenmoden des Netzwerkmodells die für die entsprechende Resonanz maßgeblichen konstruktiven Gegebenheiten und ihren Einfluss auf das Resonanzverhalten zu quantifizieren. Jedoch ist diese Quantifizierung bezüglich konstruktiver Gegebenheiten des Gesamtsystems zu einer bestimmten vorliegenden Resonanz bedeutend, um das gesamte Systemdesign zu optimieren.The network model, which combines the electrical effect of constructive mechanical components and electronic components in a common network model, can be analyzed with the help of an eigenvalue decomposition. For this purpose, a corresponding eigenvalue decomposition is carried out to determine the potential and current distribution for the eigenmodes of the network model. However, it is not immediately possible, based on the potential and current distribution of the eigenmodes of the network model, to quantify the constructive conditions that are decisive for the corresponding resonance and their influence on the resonance behavior. However, this quantification with regard to the structural conditions of the overall system is important for a specific existing resonance in order to optimize the overall system design.
Insbesondere sieht das obige Verfahren vor, zunächst ein Netzwerkmodell, z.B. in Form einer elektronischen Ersatzschaltung, bereitzustellen, das aus einer Zusammenführung der parasitären elektrischen Eigenschaften von konstruktiven mechanischen Bauteilen, und elektronischen bzw. elektrischen Bauteilen aufgebaut ist. Das Netzwerkmodell entspricht einem elektrischen Netzwerk, in dem Funktionalbauteile des elektronischen bzw. elektrischen Bestandteils des Systems und in entsprechende Parasitärbauteile umgewandelte konstruktive Komponenten enthalten sind.In particular, the above method provides for first providing a network model, e.g. in the form of an electronic equivalent circuit, which is constructed from a combination of the parasitic electrical properties of constructive mechanical components and electronic or electrical components. The network model corresponds to an electrical network in which functional components of the electronic or electrical component of the system and structural components converted into corresponding parasitic components are contained.
So kann beispielsweise das Frequenzverhalten einer elektronischen Schaltung durch Kondensatoren, Induktivitäten und Ohm'sche Widerstände in Form eines Ersatzschaltbilds dargestellt werden. Weiterhin können konstruktive mechanische Bauteile insbesondere, wenn diese leitfähig sind, als zusätzliche Parasitärbauteile in Form von Kapazitäten und Induktivitäten mit der elektronischen Schaltung wechselwirken und somit in dem Netzwerkmodell gemeinsam mit den Funktionalbauteilen berücksichtigt werden. Insbesondere kann mithilfe eines geeigneten Extraktionsverfahrens aus CAD-Konstruktionsdaten ein entsprechendes elektronisches Ersatzschaltbild konstruiert werden, das mit einem elektronischen Schaltbild zu einem entsprechenden Netzwerkmodell kombiniert werden kann. Im gleichen Schritt kann die Sensitivität dieser extrahierten Parasitärbauteile bezüglich der geometrischen Modellparameter oder der Materialparameter des Modells mit einem geeigneten numerischen Verfahren ermittelt werden.For example, the frequency behavior of an electronic circuit can be represented by capacitors, inductances and ohmic resistances in the form of an equivalent circuit diagram. Furthermore, constructive mechanical components, especially if they are conductive, can interact with the electronic circuit as additional parasitic components in the form of capacitances and inductances and can thus be taken into account in the network model together with the functional components. In particular, using a suitable extraction method from CAD design data, a corresponding electron ical equivalent circuit diagram can be constructed, which can be combined with an electronic circuit diagram to form a corresponding network model. In the same step, the sensitivity of these extracted parasitic components with regard to the geometric model parameters or the material parameters of the model can be determined using a suitable numerical method.
Das resultierende Netzwerkmodell kann nun analysiert werden, um entsprechend einer Eigenwertzerlegung eine modale Darstellung des Systemverhaltens durch dessen Eigenwerte und entsprechende Eigenvektoren zu erhalten. Dies ermöglicht eine Darstellung des Netzwerkmodells durch dessen Eigenmoden.The resulting network model can now be analyzed in order to obtain a modal representation of the system behavior through its eigenvalues and corresponding eigenvectors according to an eigenvalue decomposition. This enables the network model to be represented by its eigenmodes.
Bei der Analyse des Netzwerkmodells sind bestimmte Resonanzen von besonderem Interesse, deren Amplitude signifikant ist, d. h. z.B. einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Zur weiteren individuellen Analyse jeder einzelnen Resonanz wird deswegen diejenige Eigenmode ausgewählt und genauer untersucht, die am nächsten bezüglich des Frequenzabstandes an der entsprechenden Resonanz liegt.When analyzing the network model, certain resonances are of particular interest, the amplitude of which is significant, i.e. H. e.g., exceeds a predetermined threshold. For further individual analysis of each individual resonance, that natural mode is therefore selected and examined more closely, which is closest to the corresponding resonance in terms of frequency spacing.
Im Folgenden wird eine Sensitivitätsanalyse vorgenommen, bei der die Resonanzeigenschaften für jede der ausgewählten Eigenmoden bezüglich ihrer Sensitivitäten hinsichtlich der konstruktiven Eigenschaft innerhalb des Systems ermittelt werden. Abhängig von den Sensitivitäten können so ein oder mehrere Bereiche in dem System identifiziert werden, die die zu analysierende Resonanz des Systems maßgeblich beeinflussen. Diese konstruktiven Sensitivitäten beschreiben die Abhängigkeit der Resonanzeigenschaften von den geometrischen Gegebenheiten im Modell des zu analysierenden Systems und/oder von den dort vorliegenden Materialeigenschaften. Um diese konstruktiven Sensitivitäten zu bestimmen, werden zunächst für alle Parasitärbauteile Sensitivitäten einer oder mehrerer Resonanzeigenschaften bezüglich ihrer jeweiligen Impedanzen bestimmt. Diese Sensitivitäten betreffen eine oder mehrere Resonanzeigenschaften, wie z. B. die Resonanzfrequenz, die Güte und die Amplitude.A sensitivity analysis is carried out below, in which the resonance properties for each of the selected eigenmodes are determined with regard to their sensitivities with regard to the constructive property within the system. Depending on the sensitivities, one or more areas in the system can be identified that significantly influence the resonance of the system to be analyzed. These constructive sensitivities describe the dependence of the resonance properties on the geometric conditions in the model of the system to be analyzed and/or on the material properties present there. In order to determine these constructive sensitivities, sensitivities of one or more resonance properties with regard to their respective impedances are first determined for all parasitic components. These sensitivities relate to one or more resonance properties, e.g. B. the resonant frequency, the quality and the amplitude.
In einem nächsten Schritt werden die Sensitivitäten der Impedanzen der Parasitärbauteile hinsichtlich der konstruktiven Gegebenheiten in dem System bestimmt. Diese Sensitivitäten beschreiben die Abhängigkeit der Impedanzen der Parasitärbauteile von den geometrischen Gegebenheiten im Modell des zu analysierenden Systems und/oder von den dort vorliegenden Materialeigenschaften. Beispielsweise kann für einen Bonddraht eine Induktivität und deren Sensitivität bezüglich Modellparametern wie der Geometrie oder der Materialparameter des Modells, also zum Beispiel abhängig von dessen Verlauf im System, mithilfe eines geeigneten Extraktionsverfahrens angegeben werden. Ein mögliches Verfahren zur Extraktion der Parasitärbauteile und deren Sensitivitäten ist zum Beispiel in S. Schuhmacher et al., „Adjoint technique for sensitivity analysis of coupling factors according to geometric variations“, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 54, 2018, angegeben.In a next step, the sensitivities of the impedances of the parasitic components are determined with regard to the structural conditions in the system. These sensitivities describe the dependency of the impedances of the parasitic components on the geometric conditions in the model of the system to be analyzed and/or on the material properties present there. For example, an inductance and its sensitivity with regard to model parameters such as the geometry or the material parameters of the model, i.e. depending on its course in the system, can be specified for a bonding wire using a suitable extraction method. A possible method for extracting the parasitic components and their sensitivities is given, for example, in S. Schuhmacher et al., "Adjoint technique for sensitivity analysis of coupling factors according to geometric variations", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 54, 2018.
Aus der Resonanzeigenschaftssensitivität, die die Abhängigkeit der mindestens einen Resonanzeigenschaft von den jeweiligen Impedanzen der Parasitärbauteile beschreibt, und den konstruktiven Sensitivitäten, die die Abhängigkeit der Impedanzen der Parasitärbauteile von den geometrischen Modelleigenschaften oder den Materialeigenschaften des Modells beschreiben, kann nun die Abhängigkeit der mindestens einen Resonanzeigenschaft von den geometrischen Modelleigenschaften oder den Materialeigenschaften des Systemmodells gemäß der verallgemeinerten Kettenregel ermittelt werden.From the resonance property sensitivity, which describes the dependence of the at least one resonance property on the respective impedances of the parasitic components, and the constructive sensitivities, which describe the dependence of the impedances of the parasitic components on the geometric model properties or the material properties of the model, the dependence of the at least one resonance property can now be determined can be determined from the geometric model properties or the material properties of the system model according to the generalized chain rule.
Es ergibt sich eine Sensitivitätskarte, die die konstruktive Sensitivität einer oder mehrerer Resonanzeigenschaften (Resonanzeigenschaftssensitivitäten bezüglich eines örtlichen Bereichs in dem System) über eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung des Systems darstellt. Daraus können durch Auffinden von Bereichen hoher Resonanzeigenschaftssensitivitäten die Strukturen erkannt werden, die sich für eine konstruktive Änderung des Systems anbieten, um das Resonanzverhalten des Systems zu beeinflussen.A sensitivity map results that represents the constructive sensitivity of one or more resonance properties (resonance property sensitivities with respect to a local area in the system) over a two-dimensional or three-dimensional representation of the system. From this, by finding areas with high resonance property sensitivities, the structures can be identified that lend themselves to a constructive change in the system in order to influence the resonance behavior of the system.
Weiterhin kann ebenso quantitative Information aus den ermittelten Sensitivitäten Verwendung in gradientenbasierten Optimierungsverfahren die Grundlage liefern das Modell automatisch geometrisch oder bezüglich einer Materialparameteroptimierung (z.B. der relativen Permeabilität), bezüglich einer Resonanzeigenschaft anzupassen.Furthermore, quantitative information from the determined sensitivities can also provide the basis for use in gradient-based optimization methods to automatically adapt the model geometrically or with regard to a material parameter optimization (e.g. the relative permeability) with regard to a resonance property.
Weiterhin kann die Anpassung auch bezüglich mehrerer Resonanzeigenschaften oder mehrerer Resonanzeigenschaften von mehr als einer Resonanz durch ein geeignetes Multizieloptimierungsverfahren angepasst werden.Furthermore, the adaptation can also be adapted with regard to multiple resonance properties or multiple resonance properties of more than one resonance using a suitable multi-objective optimization method.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Resonanzeigenschaftssensitivität der einen oder der mehreren Resonanzeigenschaften bezüglich der Impedanz mindestens eines Funktionalbauteiles abhängig von der einen oder der mehreren Resonanzeigenschaften der ausgewählten Eigenmode bestimmt wird, wobei das Anpassen des Aufbaus und/oder der Konfiguration des Systems bezüglich der durch das mindestens eine Funktionalbauteil bestimmte Resonanzeigenschaftssensitivität durchgeführt wird.Provision can be made for at least one resonance property sensitivity of the one or more resonance properties with regard to the impedance of at least one functional component to be determined as a function of the one or more resonance properties of the selected natural mode, with the adjustment of the structure and/or the configuration of the system with regard to the the at least one functional component specific resonance property sensitivity is carried out.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Prozessschritte zur Durchführung eines Verfahrens zur Analyse und Anpassung bzw. Optimierung eines CAD Modells für die Analyse und Optimierung von Resonanzeigenschaften; -
2 ein System mit einer Platine, auf der eine elektronische Schaltung aufgebaut ist; und -
3 ein beispielhaftes Netzwerkmodell, das aus dem System zur Analyse des EMV-Verhaltens abgeleitet ist; -
4a-4c Karten zur Darstellung von konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivitäten zur Veranschaulichung von geometrischen Bereichen des elektronischen bzw. elektrischen Systems, die die Resonanzeigenschaften bei Veränderung maßgeblich beeinflussen; -
5a und5b die Änderung des Leiterplattendesigns zur Anpassung einer Resonanzamplitude; und -
6 eine Darstellung von Amplitudenverläufen über der Frequenz für das ursprüngliche und das geänderte Leiterplattendesign.
-
1 a block diagram to illustrate the process steps for carrying out a method for the analysis and adjustment or optimization of a CAD model for the analysis and optimization of resonance properties; -
2 a system having a circuit board on which an electronic circuit is built; and -
3 an exemplary network model derived from the EMC behavior analysis system; -
4a-4c Maps for the representation of constructive resonance property sensitivities to illustrate geometric areas of the electronic or electrical system, which significantly influence the resonance properties when changing; -
5a and5b changing the circuit board design to adjust a resonance amplitude; and -
6 a representation of amplitude curves versus frequency for the original and the modified circuit board design.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Ein Gesamtsystem 1 ist beispielhaft in
Mit Bezug auf das Flussdiagramm wird ein Verfahren zur Identifikation von für eine Resonanz maßgeblichen Komponenten in dem Gesamtsystem 1 durchgeführt.With reference to the flowchart, a method for identifying components in the
Zur Untersuchung des Gesamtsystems 1 wird in Schritt S1 ein Netzwerkmodell 10 erstellt, das die Komponenten der elektronischen Schaltung 2 und der Leiterplatte 3 als Ersatzschaltbild beschreibt. Die Komponenten 21 der elektronischen Schaltung 2 werden hinsichtlich ihrer EMV-Wirkung zu Funktionalbauteilen zusammengefasst. Die elektrisch relevanten (z.B. leitfähigen oder dielektrischen) Komponenten der Leiterplatte 3 werden hinsichtlich ihrer EMV-Wirkung durch Parasitärbauteilen 14 beschrieben.To examine the
Beispielhaft ergibt sich aus dem Gesamtsystem 1 der
Das EMV-Netzwerkmodell 10 wird mithilfe geeigneter Tools erstellt. Dazu wird ein EMV-Netzwerkmodell der elektronischen Schaltung (Ersatzschaltung) erstellt und dieses mithilfe eines geeigneten Extraktions-Verfahrens um die Parasitärbauteile 14 ergänzt, die sich aus der Wechselwirkung zwischen den konstruktiven Gegebenheiten und der elektronischen Schaltung ergeben. Man erhält ein Netzwerkmodell aus den Parasitärbauteilen 14 und den Funktionalbauteilen 15.The
Des Weiteren werden zunächst in Schritt S2 die Resonanzen des Gesamtsystems 1 durch Simulation oder Beobachtung eines Prototyps auf einem Prüfstand ermittelt.Furthermore, in step S2, the resonances of the
Für das in Schritt S1 bestimmte Netzwerkmodell 10 werden in Schritt S3 sämtliche Eigenmoden ermittelt.In step S3, all natural modes are determined for the
Die Zustandsraumdarstellung beschreibt das Verhalten des Netzwerkmodells und kann mittels der Laplacetransformation und dem Laplaceparameter s in folgende Form gebracht werden:
Der Zustandsvektor beinhaltet dabei die Zustandsvariablen x (bspw. Spannung am Kondensator oder Strom über die Induktivität).
In der Form
In the shape
Die Matrix G̃ enthält alle Widerstände, die parallel zu Induktivitäten oder Kapazitäten in der Schaltung auftreten, sämtliche Kapazitäten sind in der Matrix C̃ repräsentiert. Die Matrix ĨS repräsentiert die Stromquellen. Diese Matrizen werden in an sich bekannter Weise in der Knotenpotentialanalyse aufgestellt.The matrix G̃ contains all resistances that occur parallel to inductances or capacitances in the circuit, all capacitances are represented in the matrix C̃. The matrix Ĩ S represents the current sources. These matrices are set up in a manner known per se in the nodal potential analysis.
Die erweiterte Knotenpotentialanalyse ist an sich bekannt und dient dazu, die Knotenspannungen sowie Zweigströme zu ermitteln.The extended node potential analysis is known per se and is used to determine the node voltages and branch currents.
Der Zustandsvektor x besteht aus den Knotenspannungen V und den Strömen durch die Induktivitäten I. Da Spannungsquellen in äquivalente Stromquellen transformiert werden können, besteht der Anregungsvektor u nur aus den Stromquellen ĨS an den Knoten.The state vector x consists of the node voltages V and the currents through the inductances I. Since voltage sources can be transformed into equivalent current sources, the excitation vector u consists only of the current sources Ĩ S at the nodes.
Mithilfe der Eigenwertzerlegung (diagonale Eigenwertmatrix A, Eigenvektormatrix E) der obigen Zustandsraumdarstellung können die Zustandsgrößen x zu jedem Wert von s mittels
Das entkoppelte Gleichungssystem kann mit Y = E-1 und Bu = b nun als Summe
Dabei steht N für die Anzahl an Eigenvektoren in E bzw. Eigenwerten in A. Das Verhalten des elektrischen Netzwerks lässt sich somit durch eine gewichtete Superposition aller Eigenmoden beschreiben.N stands for the number of eigenvectors in E or eigenvalues in A. The behavior of the electrical network can thus be described by a weighted superposition of all eigenmodes.
In einem nachfolgenden Schritt S4 werden die Resonanzfrequenz bzw. die Resonanzfrequenzen der bestimmten Resonanzen mit den Eigenfrequenzen der ermittelten Eigenmoden verglichen. Für eine bestimmte Resonanzfrequenz kann nun eine relevante Eigenmode ausgewählt werden, entsprechend dem Frequenzabstand zwischen der Resonanz und der Eigenfrequenz.In a subsequent step S4, the resonant frequency or the resonant frequencies of the determined resonances are compared with the natural frequencies of the determined natural modes. A relevant natural mode can now be selected for a specific resonance frequency, according to the frequency spacing between the resonance and the natural frequency.
Für Resonanzen mit ausreichend hoher Güte liegt die Resonanzfrequenz nahe an der Eigenfrequenz der assoziierten Mode.For resonances of sufficiently high quality, the resonant frequency is close to the natural frequency of the associated mode.
Das Verhalten des Systems in der Nähe jeder Resonanz genügend hoher Güte kann durch die jeweils assoziierte Eigenmode approximiert werden zu
Das Maximum der i-ten komplexen Mode liegt somit bei
Dieser Term besteht dabei aus dem Dämpfungsfaktor ξi, dem Anregungsfaktor
Die Approximation der Resonanz einer Systemgröße über das Maximum der (in der Nähe liegenden) Eigenmode ermöglicht weiter eine direkte Berechnung der Resonanzeigenschaften.
- 1. Die Resonanzfrequenz zu
- 2. Der Dämpfungsfaktor ξiund damit die Güte
- 3. Die frequenzunabhängige Resonanzamplitude
- 1. The resonant frequency too
- 2. The damping factor ξ i and thus the quality
- 3. The frequency-independent resonance amplitude
In Schritt S5 werden zunächst die Ableitungen der Resonanzeigenschaften nach den Impedanzvariablen z der Netzwerkelemente bestimmt, welche entweder ein ohmscher Widerstand R, eine Induktivität L oder eine Kapazität C sein kann. Für die Sensitivität der Resonanzfrequenz folgt:
Weiterhin wird die Sensitivität der Resonanzamplitude X unter Verwendung der Produktregel wie folgt berechnet:
Des Weiteren kann die Sensitivität der Güte der ausgewählten Eigenmode aus der Ableitung des Eigenwerts bestimmt werden. Unter Anwendung der Kettenregel folgt
Die Ableitung der Güte ist die Summe aus der Ableitung des Realteils des Eigenwerts und der Ableitung der natürlichen Frequenz ω0 mit
Die Ableitung der Eigenvektoren und Eigenwerte kann zum Beispiel wie in N. Van der Aa et al., „Computation of eigenvalue and eigenvector derivatives for a general complex-valued eigensystem“, The Electronic Journal of Linear Algebra ELA 16(1) (http://dx.doi.org/10.13001/1081-3810.1203) beschrieben erfolgen. The derivation of the eigenvectors and eigenvalues can be done, for example, as described in N. Van der Aa et al., "Computation of eigenvalue and eigenvector derivatives for a general complex-valued eigensystem", The Electronic Journal of Linear Algebra ELA 16(1) (http: //dx.doi.org/10.13001/1081-3810.1203).
Aus dem Extraktionsmodell können in Schritt S6 die Sensitivitäten der Impedanzen der einzelnen Parasitärbauteile bezüglich der geometrischen Parameter oder der Materialparameter des Modells im System bestimmt werden.In step S6, the sensitivities of the impedances of the individual parasitic components with regard to the geometric parameters or the material parameters of the model in the system can be determined from the extraction model.
Ein mögliches Verfahren zur Extraktion der Parasitärbauteile und deren Sensitivitäten ist zum Beispiel in S. Schuhmacher et al., „Adjoint technique for sensitivity analysis of coupling factors according to geometric variations“, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 54, 2018, angegeben.A possible method for extracting the parasitic components and their sensitivities is given, for example, in S. Schuhmacher et al., "Adjoint technique for sensitivity analysis of coupling factors according to geometric variations", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 54, 2018.
Beispielsweise wird dabei die partielle Induktivität eines Leitungsstückes und deren Sensitivitäten wie folgt berechnet. Mithilfe eines von den Maxwellschen Gleichungen abgeleiteten Gleichungssystems kann der elekrische Potentialunterschied, bei Einprägung eines Stromdichteprofils an beiden Enden des Leitungsstückes dort berechnet werden. Die numerische Lösung dieses Gleichungssystems kann zum Beispiel durch eine Finite-Elemente-Analyse ermittelt werden. Aus dem eingeprägten Gesamtstrom und dem Potentialunterschied kann dann die Impedanz und damit die partielle Induktivität dieses Leitungsstücks berechnet werden. Die Sensitivität dieser Impedanz bezüglich der zugrundeliegenden Modellparameter, wie zum Beispiel der Leitfähigkeiten oder der Leitergeometrie, kann zum Beispiel mithilfe eines adjungierten Verfahrens berechnet werden.For example, the partial inductance of a piece of line and its sensitivities are calculated as follows. With the help of a system of equations derived from Maxwell's equations, the electrical potential difference can be calculated when a current density profile is impressed at both ends of the line section. The numerical solution of this system of equations can be determined, for example, by a finite element analysis. The impedance and thus the partial inductance of this piece of line can then be calculated from the impressed total current and the potential difference. The sensitivity of this impedance with regard to the underlying model parameters, such as the conductivities or the conductor geometry, can be calculated using an adjoint method, for example.
Beispielhaft kann die Kapazität zwischen zwei galvanischen Körpern aus der elektrostatischen Näherung der Maxwellgleichung in der Potentialdarstellung berechnet werden, indem die Feldgleichung in einer Finite-Elemente-Analyse gelöst wird. Dabei werden als Randbedingung für die partiellen Differentialgleichungen elektrostatische Potentiale auf den galvanischen Körpern eingeprägt. Unter Assoziierung der gespeicherten Energie in einem Kondensator mit einer zu bestimmenden Kapazität und einer gegebenen Spannungsdifferenz und der unter Zuhilfenahme der Feldlösung ermittelten elektrischen Feldenergie kann eine Ersatzkapazität zwischen den galvanischen Körpern berechnet werden. Ebenso kann für diese Gleichung dann mit dem adjungierten Verfahren die Sensitivität dieser berechneten Kapazität bezüglich der zugrundeliegenden Modellparameter berechnet werden.For example, the capacitance between two galvanic bodies can be calculated from the electrostatic approximation of Maxwell's equation in the potential representation by solving the field equation in a finite element analysis. Electrostatic potentials are impressed on the galvanic bodies as a boundary condition for the partial differential equations. By associating the stored energy in a capacitor with a capacity to be determined and a given voltage difference and the electric field energy determined with the help of the field solution, an equivalent capacity between the galvanic bodies can be calculated. Likewise, the sensitivity of this calculated capacity with regard to the underlying model parameters can then be calculated for this equation using the adjoint method.
Zur Ermittlung der konstruktiven Sensitivität von Resonanzeigenschaften (konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivität) können in Schritt S7 gemäß der verallgemeinerten Kettenregel aus den oben bestimmten Resonanzeigenschaftensensitivitäten Q(z(p)) für jedes der Parasitärbauteile und die N konstruktiven Sensitivitäten der Impedanzen zj(p) der Parasitärbauteile die Sensitivitäten der Resonanzeigenschaften über die geometrischen Parameter und Materialparameter p des Modells des elektromechanischen Systems (geometrische Resonanzeigenschaftssensitivitäten) bestimmt werden. Es ergibt sich für jede Resonanzeigenschaftssensitivität:
Dies kann beispielsweise anhand der Karten, wie z. B. in
Durch Anpassen der geometrischen Konstruktion bzw. des Aufbaus entsprechend der quantitativen Größe der Sensitivität in diesem identifizierten Bereich des Systems kann in Schritt S8 entweder die Resonanzfrequenz verschoben, die Dämpfung erhöht und/oder die Resonanzamplitude verringert werden. Insbesondere kann die geometrische Konstruktion bzw. der Aufbau der Leiterplatte 3 durch Verbreiterung oder Verengung der Leitbahnen, Reduzierung oder Erhöhung der Fläche von Lötstellen, Verlängerung oder Verkürzung von Bonddrähten geändert werden, um die Resonanzeigenschaften anzupassen.By adapting the geometric construction or structure according to the quantitative size of the sensitivity in this identified area of the system, either the resonance frequency can be shifted, the damping increased and/or the resonance amplitude reduced in step S8. In particular, the geometric construction or the structure of the printed
Beispielsweise zeigen die
In einer alternativen Anwendung könnten Materialparameter des Modells entsprechend den Vorhersagen der Sensitivitätsanalyse verändert werden, um analoge Anpassungen vorzunehmen. Sollte zum Beispiel die Sensitivitätsanalyse eines der Resonanzeigenschaften, zum Beispiel des Dämpfungsfaktors, bezüglich der Permittivität des Materials des Substrats der Leiterplatte einen negativen Wert ergeben, würde die Wahl eines neuen Materials mit einer kleineren Permittivität zu einer größeren Resonanzeigenschaft, zum Beispiel des Dämpfungsfaktors, führen.In an alternative application, material parameters of the model could be changed according to the predictions of the sensitivity analysis to make analogous adjustments. If, for example, the sensitivity analysis of one of the resonance properties, e.g. the damping factor, with respect to the permittivity of the material of the printed circuit board substrate gives a negative value, choosing a new material with a lower permittivity would lead to a larger resonance property, e.g. the damping factor.
Statt die modalen Sensitivitäten des CAD Modells direkt in einer aufwändigen Feldsimulation (Lösung der gekoppelten Maxwellgleichungen, unter Einbeziehung aller funktionalen Bestandteile) direkt zu berechnen, werden zuerst in einem Schritt die modalen Netzwerksensitivitäten berechnet. In einem zweiten Schritt werden in einer effizienten Extraktion die parasitären Netzwerkelemente und deren konstruktive Sensitivitäten ohne weitere Betrachtung der Funktionalbauteile der Ersatzschaltung ermittelt. In einem effizienten dritten Schritt werden diese beiden Sensitivitäten mit der erweiterten Kettenregel kombiniert um die konstruktiven Resonanzeigenschaftssensitivitäten zu erhalten.Instead of calculating the modal sensitivities of the CAD model directly in a complex field simulation (solving the coupled Maxwell equations, including all functional components), the modal network sensitivities are first calculated in one step. In a second step, the parasitic network elements and their constructive sensitivities are determined in an efficient extraction without further consideration of the functional components of the equivalent circuit. In an efficient third step, these two sensitivities are combined with the extended chain rule to obtain the constructive resonance property sensitivities.
So können über die Betrachtung der konstruktiven Sensitivität der Resonanzfrequenz potenzielle Positionen in der Geometrie des Systems zur Optimierung identifiziert werden, so dass die Resonanz aus einem kritischen Frequenzbereich herausgeschoben werden kann. Dies kann beispielsweise für eine Störaussendung nützlich sein, in welcher oft nur in sehr schmalen Frequenzbändern harte Grenzen gelten (bspw. Mittelwelle: 530 - 1700 kHz). Ein Verschieben der Resonanz zu Frequenzen ohne feste Anforderungen ist hier sehr hilfreich. Indem man die Resonanz durch die obige 3D-Sensitivitätsanalyse und der darauf basierenden Änderung des Produkts verändert, können die Anforderungen kostengünstig eingehalten werden.By considering the constructive sensitivity of the resonance frequency, potential positions in the geometry of the system can be identified for optimization so that the resonance can be pushed out of a critical frequency range. This can be useful, for example, for emitted interference, in which hard limits often only apply in very narrow frequency bands (e.g. medium wave: 530 - 1700 kHz). Shifting the resonance to frequencies without fixed requirements is very helpful here. By changing the resonance through the above 3D sensitivity analysis and modifying the product based on it, the requirements can be met cost-effectively.
Weiterhin kann zum Beispiel mithilfe der Sensitivitätsanalyse eine sortierte Liste der konstruktiven Parameter bezüglich Ihres Einflusses auf die Resonanzamplitude berechnet werden. Durch Veränderung der konstruktiven Parameter entsprechend dieser Liste kann die Amplitude der Resonanz vergrößert oder verkleinert werden. Eine Verkleinerung der Resonanzamplitude entspricht hierbei oftmals einer Verbesserung der Störfestigkeit und/oder Störaussendung des Produktes bei der Resonanzfrequenz.Furthermore, a sorted list of the design parameters with regard to their influence on the resonance amplitude can be calculated using the sensitivity analysis, for example. By changing the design parameters according to this list, the amplitude of the resonance can be increased or decreased. A reduction in the resonance amplitude often corresponds to an improvement in the interference immunity and/or interference emission of the product at the resonance frequency.
Eine solche Vorgehensweise bietet sich beispielsweise bei der Störfestigkeitsoptimierung von Sensoren an. Diese müssen in einem breiten Frequenzbereich hohe Störpegel bestehen. Ein Verschieben der Resonanz ist dabei nicht hilfreich. Zudem ist es meist nicht möglich, weitere Dämpfung über Funktionalbauteile in das System einzubringen. Aus diesem Grund sollte eine wie hier beschriebene zielgerichtete Veränderung der Resonanzanregung vorgenommen werden.Such a procedure lends itself, for example, to the interference immunity optimization of sensors. These must withstand high interference levels in a wide frequency range. Shifting the resonance is not helpful here. In addition, it is usually not possible to introduce further damping into the system via functional components. For this reason, a targeted change in the resonance excitation should be made as described here.
Es wird ersichtlich, dass eine Resonanzoptimierung je nach Anwendungsfall und Produkt in der EMV bzgl. verschiedenen Resonanzeigenschaften (Amplitude, Dämpfung, Frequenz) sinnvoll ist.It becomes apparent that resonance optimization makes sense depending on the application and product in EMC with regard to various resonance properties (amplitude, damping, frequency).
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