Untersuchung der parasitären Eigenschaften von elektrischen Filtern im Automobilbereich

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2012-04-16
Issue Year
2011
Authors
Fischer, Thomas
Editor
ISBN
978-3-8439-0140-6
Abstract

In the automotive sector, the integration of electronic devices is increasing rapidly. On the one hand, this development causes decreasing electromagnetic immunity to incoming interference signals in the electronic control units. On the other hand, the units themselves generate more and more interference signals. In order to solve this problem, surface mounted filter components are used as electrical filters on the printed circuit boards of the control units. However, the attenuation of these filters is affected by the unwanted parasitic behavior of the components themselves, the printed circuit board and the conductive housing. So far, only the parasitic behavior of the filter components is taken into account in the unit development phase. The presented work therefore deals with the influence on the attenuation or even the improvement of the attenuation caused by interconnects and electrically conductive housing parts. The approach within the frequency range of 1 MHz to 4 GHz is structured as follows. First, the filter behavior is measured by means of a vector network analyzer in the frequency domain. The measurement data provides both the description by a standardized insertion attenuation and the calculation of the embedded filter attenuation. Moreover, the data permits the de-embedding of the measurement setup. Secondly, models for simulation of the filter components themselves and the whole circuit structure are created. The method of partial element equivalent circuits (PEEC) has been found to be numerically very effective for this purpose. More complicated structures and simplifications of real models are handled by the commercial full wave field solver CST Microwave Studio. Any impact of cavity resonances due to the housing is estimated by a boundary value problem and the wave equation. Thirdly, several parameter studies are conducted with these models in order to find optimized circuit structures and design rules for layout. The influence of novel filter components is also included within these studies. To improve the comprehension of the predominant effects, an analysis of the electromagnetic field distribution and of the equivalent circuits is necessary. As a result, it could be shown that the unwanted inductive coupling of components and interconnects helps to improve attenuation significantly. The configuration of novel filter components is also based on this coupling. Furthermore, a symmetrical arrangement of these novel components intensifies the coupling effect. In addition, electrically conductive housing parts prove to have a great influence on parasitic filter behavior. Attenuation is reduced by cover planes, lateral planes and a closed housing both in the low and high frequency range. The different effects causing this reduction are explained in detail. Increased distances and proper grounding of the lateral planes are considered effective measures to lower the plane impact. However, lateral planes in certain arrangements can also serve as shielding planes increasing attenuation. Finally, the results are summed up in practical design guide lines and references.

Abstract

Im Automobilbereich steigt die Elektronikintegration unaufhaltsam. Damit werden die elektronischen Steuergeräte auf der einen Seite immer empfindlicher gegen elektromagnetische Störungen von außen, auf der anderen Seite generieren sie aber auch mehr Störungen. Deswegen werden unter anderem spezielle oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD) als elektrische Filter auf den Leiterplatten der Steuergeräte eingesetzt. Das unerwünschte parasitäre Verhalten der Filter wird durch die Filterkomponenten selbst, die Leiterplatte und das metallische Gehäuse bestimmt und hat großen Einfluss auf die Filterwirkung. Bisher wird in der Entwicklungsphase der Steuergeräte zur Bestimmung der Filterwirkung nur das parasitäre Verhalten der Filterkomponenten mit berücksichtigt. Die Arbeit befasst sich deshalb damit, den Einfluss der Leiterplatte und metallischer Gehäuseteile in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 4 GHz zu berücksichtigen und gegebenenfalls auszunutzen, um die Filterwirkung systematisch zu erhöhen. Das Vorgehen gliedert sich in drei Schritte. Im ersten Schritt wird die Filterwirkung mit einem Vektor Netzwerkanalysator im Frequenzbereich erfasst und anhand einer normierten Filterdämpfung beschrieben. Die Messdaten bieten aber jederzeit auch die Möglichkeit, den Einfluss der Messumgebung zu korrigieren und die Filterdämpfung im eingebauten Zustand zu berechnen. Im zweiten Schritt werden sowohl von den Filterkomponenten als auch von den Filterstrukturen Simulationsmodelle erstellt. Als effizientes numerisches Verfahren kommt dabei die Methode der partiellen Elemente (PEEC) zum Einsatz. Komplexere Strukturen und Vereinfachungen werden mit dem kommerziellen Feldsimulationsprogramm CST Microwave Studio bearbeitet und nachgeprüft. Effekte durch Gehäuseresonanzen werden zusätzlich durch ein Randwertproblem bei Wellenausbreitung abgeschätzt. Im dritten Schritt werden anhand der Modelle Parameterstudien durchgeführt, um optimierte Layoutformen zu finden und Regeln für die Layouterstellung herausarbeiten zu können. Dabei werden auch spezielle neuartige Filterkomponenten in die Untersuchung mit einbezogen. Weiterhin werden die Feldverteilungen und Ersatzmodelle der vorliegenden Probleme analysiert, um ein tieferes Verständnis für die vorherrschenden Effekte zu bekommen. Die Ergebnisse der Parameterstudien zeigen, dass die eigentlich störende induktive Kopplung von Komponenten und Verbindungsleitern ausgenutzt werden kann, um die normierte Filterdämpfung signifikant zu erhöhen. Der Aufbau neuartiger Filterkomponenten nutzt zum Teil ebenfalls diesen Effekt aus. Weiterhin verstärken sie bei symmetrischer Anordnung diesen Effekt noch. Zudem kann gezeigt werden, dass metallische Gehäuseteile einen erheblichen Einfluss auf das parasitäre Filterverhalten haben. Deckelflächen, seitliche Flächen und geschlossene Gehäuse reduzieren dabei die Filterdämpfung aufgrund unterschiedlicher Effekte im niedrigen und hohen Frequenzbereich. Als Maßnahmen werden Mindestabstände und die konsequente Anbindung an die Massefläche der Leiterplatte vorgeschlagen. Bei geeigneter Ausrichtung der seitlichen Flächen könnten diese als Schirmfläche die Filterwirkung aber auch verstärken. Abschließend werden die Ergebnisse in Richtlinien und Hinweise für die Layoutpraxis zusammengefasst.

Citation
Fischer Thomas: Untersuchung der parasitären Eigenschaften von elektrischen Filtern im Automobilbereich. - München : Verl. Dr. Hut, 2011
DOI
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