Dr. Peter Olbrich
AVL Software and Functions GmbH

In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, in welcher die Analyse von elektrischen Schaltungen mittels EMV-Simulation um niederfrequente Bereiche (2-150 kHz) erweitert wird. Dies geschieht mit dem Augenmerk auf elektrische und magnetische Felder in den elektronischen Bauteilen um daraus Rückschlüsse auf die Erzeugung von Kräften in und an den Bauelementen zu erhalten. Dies stellt eine Erweiterung der elektrischem EMV-Betrachtung um den elektroakustischen Bereich dar.

In dieser Arbeit werden die auftretenden Kräfte mittels eines Spice-basierten Simulationsansatzes unter Hinzunahme von physikalischen Bauteilmodellen berechnet. Vorausgesetzt sind die elektrischen und funktionellen Schaltungseigenschaften. Die Kräfte skalieren mit den geometrischen und elektrischen Bauteilparameter, die datenblattbasiert ermittelt werden. Die Bestimmung der Vibration, als Ursache für die Abstrahlung von akustisch hörbaren Störungen elektrischer Komponenten, ist somit möglich. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur entwicklungsbegleitenden Diagnose und Entwicklung von Gegenmaßnahmen am Bauteil und deren Anwendung in einer Schaltung. Die Analyse erfolgt analog zur EMV-Bewertung elektrischer Schaltungen im Simulator. Das physikalische Modell wird um den Zusammenhang zwischen den durch Strom oder Spannung induzierten Kräften und den entstehenden mechanischen Kräften (z.B. Magnetostriktion, Elektrostriktion und Piezoelektrizität) erweitert.

Das Vorgehen und die Anwendung der Methode wird anhand eines Beispiels veranschaulicht. Hierbei wird auf einen Standard DCDC Wandler zurückgegriffen (LM3478, Schaltfrequenz fs = 1 MHz). Für eine simulationsgestütze EMV-Analyse werden das Zusammenwirken des funktionalen Schaltverhaltens und die parasitären Eigenschaften der beteiligten Komponenten untersucht. Die Bauteilmodelle (Kondensator, Spule) werden zur Analyse und Lokalisierung des elektroakustischen Verhaltes um entsprechende Modellparameter erweitert.

Die Anwendbarkeit der Simulationsmethode wird durch einen Vergleich von Simulation und Messung bestätigt. Hierbei zeigte sich eine gute Übereinstimmung. Im Betrieb der Schaltung wird ein hörbares Signal erzeugt, welches mit der Ausgangslast und Eingangsspannung variiert. Die Ursache dieser elektrischen Störung liegt hierbei im Regelverhalten der Schaltung.

Im Weiteren können die berechneten Kräfte als Grundlage für mechanische FEM Simulationen zur Bestimmung des abgestrahlten Körper-/Luftschalls genutzt werden.