EMC Workflow und EMI Standard Limit Lines in CST Studio Suite

EMI Standard Limit Lines

Die Standardgrenzlinien für elektromagnetische Störungen oder Electromagnetic Interference (EMI) beziehen sich auf die vorgeschriebenen Pegel elektromagnetischer Störungen, die elektronische oder elektrische Geräte nicht überschreiten dürfen, um den behördlichen Standards zu entsprechen. Diese Grenzwerte werden in der Regel von Regulierungsbehörden wie der Federal Communications Commission (FCC) in den Vereinigten Staaten oder der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) international festgelegt.

Die EMI-Standardgrenzlinien werden graphisch in EMI-Testberichten oder Konformitätsdokumenten dargestellt, oft als Kurven oder Linien, die die maximal zulässigen Pegel elektromagnetischer Emissionen über verschiedene Frequenzbereiche hinweg repräsentieren. Geräte werden gegen diese Grenzwerte getestet, um sicherzustellen, dass sie keine übermäßige elektromagnetische Störung erzeugen, die andere elektronische Geräte oder Systeme stören könnte.

Um Informationen zu den Standardgrenzlinien für elektromagnetische Störungen (EMI) zu erhalten, können Sie die folgenden Schritte befolgen:

1. Recherche von verantwortlichen Regulierungsbehörden für die Festlegung von EMI-Standards in Ihrem Land oder Ihrer Region
2. Konsultieren Sie offizielle Websites
3. Überprüfen von Standarddokumenten
4. Kauf von Standards
5. Konsultieren von Experten
6. Teilnahme an Schulungen oder Workshops

Durch das Befolgen dieser Schritte können Sie die erforderlichen Informationen zu den Standardgrenzlinien für elektromagnetische Störungen (EMI) erhalten, um die Einhaltung der behördlichen Standards für elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen.

Anwendung des EMC-Workflows in CST Studio

Um die EMC-Standards zu erhalten, stehen verschiedene Wege zur Verfügung. Eine der gebräuchlichsten Methoden ist der Zugriff über Normungsorganisationen wie die International Electrotechnical Commission (IEC) oder nationale Institutionen wie das Deutsche Institut für Normung (DIN). Diese Standards können direkt über die Websites der jeweiligen Organisationen bezogen werden. Es gibt auch mehrere Online-Datenbanken und Plattformen, die den Zugriff auf EMC-Standards bieten. Beispiele hierfür sind IEEE Xplore, Perinorm, IHS Markit Standards Store, Beuth Verlag und Techstreet.

CST Studio Suite bietet eine alternative Möglichkeit, die Ergebnisse von EMV-Simulationen mit einem EMC-Standard zu vergleichen. Innerhalb des EMC-Workflows in CST Studio Suite sind zahlreiche Standardgrenzlinien für elektromagnetische Störungen verfügbar, die mit verschiedenen EMI-Standards übereinstimmen und vom Anwender verwendet werden können. Wie Abbildung 1 zeigt, ist der EMC-Workflow über das Postprocessing in der Ribbon-Leiste verfügbar. Jeder Standard definiert die maximalen Spitzen- und Durchschnittswerte der Leitungsgebundenen Emission, in der Regel als Conducted Emission (CE), sowie der ausgestrahlten Emission, meist als Radiated Emission (RE), bei verschiedenen Frequenzen.

Abbildung 1. EMC Workflow in CST Studio Suite

Der EMC-Workflow bietet Ingenieuren, Entwicklern und Messtechnikern eine ausgezeichnete Möglichkeit, schnell, präzise und kostenfrei auf EMC-Standards zuzugreifen.

EMC-Standards und ihre Klassen

Abbildung 2 zeigt die Standards, die in der CST Studio Suite verfügbar sind. Im Folgenden wird diese Liste von Standards präsentiert, wobei für jeden Standard eine prägnante Erläuterung zu seiner Anwendung bereitgestellt wird.

1. CISPR25 CE und RE: Dieser Standard legt Grenzwerte für Störaussendungen und Störfestigkeit von elektrischen und elektronischen Komponenten und Systemen in Kraftfahrzeugen fest.
2. FCC15b CE und RE bezieht sich auf eine Reihe von Vorschriften der Federal Communications Commission (FCC) der Vereinigten Staaten. Dieser Teil legt die Anforderungen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) an unabsichtliche Strahler von digitalen Geräten fest.
3. CISPR32 CE und RE legt Grenzwerte für die Störaussendungen von Multimedia-Equipment (MME) fest.
4. CISPR11 CE und RE legt Grenzwerte für Störaussendungen von Industrie-, Wissenschafts- und Medizinprodukten (ISM-Geräte) fest.

MIL-STD-461 CE und RE: MIL-STD steht für „Military Standard“ und bezeichnet eine Reihe von technischen Standards und Spezifikationen, die vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium (Department of Defense, DoD) entwickelt wurden. MIL-STD-461 ist eine Reihe von militärischen Standards, die sich mit elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) befassen. Diese Standards legen die Anforderungen für die EMV von militärischen Geräten fest, um sicherzustellen, dass sie sowohl in Bezug auf elektromagnetische Emissionen als auch Immunität angemessen funktionieren.

Abbildung 2. EMI Standard Limit Lines

Zusätzlich sind alle Klassen jedes Standards, die für verschiedene Anwendungen und Geräte veröffentlicht wurden, ebenfalls verfügbar. Zum Beispiel gibt es für CISPR25 RE fünf verschiedene Klassen. Die verschiedenen Klassen innerhalb von CISPR 25 definieren unterschiedliche Pegel zulässiger elektromagnetischer Emissionen für Fahrzeugkomponenten. Hier ist ein allgemeiner Überblick über die Unterschiede zwischen Klasse 1 und Klasse 5:

• Klasse 1: Diese Klasse gilt typischerweise für Komponenten mit den niedrigsten Emissionsanforderungen, wie grundlegende elektronische Geräte oder solche, die nicht direkt mit dem elektrischen System des Fahrzeugs verbunden sind.
• Klasse 5: Klasse 5 ist die strengste Klasse mit den niedrigsten zulässigen Emissionsniveaus. Komponenten in dieser Klasse umfassen sicherheitskritische Systeme oder solche, die potenziell den Betrieb anderer Fahrzeugsysteme stören könnten, wenn sie übermäßige elektromagnetische Störungen abgeben.

EMI Standard Limit Lines und EMI Receiver

Jeder Standard in der CST Studio Suite stellt die „Peak Limit Lines“ dar, die die maximalen Werte der zulässigen Emissionen für jede Frequenzbandbreite anzeigen. Peak Limit Lines sind jedoch nicht die einzigen Grenzlinien in CST Studio Suite. Es werden auch „Average Limit Lines“ und „Quasi Peak Limit Lines“ präsentiert. Diese beiden Grenzlinien können in vielen Anwendungen ein besseres Verständnis für die EMV liefern. Sie werden wie folgt definiert:

• Average Limit Lines beziehen sich auf eine Art von Messverfahren, das die durchschnittliche Leistung oder Amplitude eines Signals im Zeitbereich berechnet.
• Quasi Peak Limit Lines misst einen modifizierten Spitzenwert unter Berücksichtigung der Reaktionszeit des Messinstruments und der Merkmale der menschlichen Wahrnehmung von Störungen. Quasi-Spitzenwert-Grenzlinien werden verwendet, um den Einfluss schneller Signaländerungen, wie sie bei Störungen oder Interferenzen auftreten, zu bewerten und eine bessere Korrelation mit der tatsächlichen Wahrnehmung von Störungen zu bieten.

Durch die Verwendung dieser Grenzlinien, die von der CST Studio Suite präsentiert werden, ist kein Kauf von EMV-Standards erforderlich und es ist auch nicht notwendig, im Internet nach verschiedenen Normen zu suchen. Zum Beispiel stimmen die CISPR25 Class 5 Grenzwerte bei den angegebenen Frequenzen für leitungsgebundene Emissionen in Tabelle 1 vollständig mit den CISPR25-Grenzlinien des CST-EMC-Workflows überein, wie in Abbildung 3 gezeigt. Zum Beispiel zeigt Tabelle 1, dass der Grenzwert für leitungsgebundene Emissionen im Frequenzbereich von 0,53 bis 1,8 MHz bei 54 dB μV liegt. Dieser Grenzwert wird auch in der Kurve ‚Peak-Band_MW‘ in Abbildung 3 dargestellt.

Tabelle 1. CISPR25 Class 5 Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen

Abbildung 3. CISPR25-Grenzlinien des CST-EMC-Workflows

Der EMI-Receiver-Makro liefert das Spektrum eines Zeitsignals, ähnlich der FFT-basierten Methode des EMI-Receiver-Messsystems. Das Zeitsignal wird mit der Fensterfunktion fenstert und anschließend wird die FFT durchgeführt, um ein zeitvariierendes Frequenzspektrum zu berechnen. Das zeitvariierende Frequenzspektrum wird an die Detektoren weitergeleitet, um jedes der Frequenzkomponenten zu gewichten, bevor das endgültige Spektrum angezeigt wird. Um das Messsystem zu replizieren, steht in diesem Makro ein Detektor mit drei verschiedenen Gewichtungsschemata zur Verfügung. Verfügbare Detektoren: Peak-, Quasi-Peak (QP)- und Durchschnitt (AVG).

Betrachten wir im Folgenden die Anwendung der Standards an einem Modellbeispiel, das in CST Design Studio modelliert ist. Abbildung 4 zeigt diese Schaltung.

Abbildung 4. Modellbeispiel zur Simulation der leitungsgebundenen Emission

Die leitungsgebundene Emission eines Motors an der Quellenposition wird simuliert. Die Quelle, eine 12-Volt-Batterie, wird mit einem Netznachbildung (LISN) verbunden. Die Spannung wird am Messpunkt P_LISN im Zeitbereich simuliert. Mithilfe des EMI-Receivers der CST Studio Suite kann die maximale Amplitude jeder spektralen Komponente berechnet werden. Abbildung 5 zeigt den Vergleich zwischen dem Ausgang des Peak-Detektors und der Peak-Grenzlinie im Frequenzbereich.

Abbildung 5. Vergleich der leitungsgebundenen Emission mit den CISPR25-Grenzlinien der CST Studio Suite

Höhere Frequenzen erfüllen die Anforderungen gemäß CISPR25, während niedrigere Frequenzen dies nicht tun. Eine Optimierung ist daher erforderlich.

Nach unserer Erfahrung

CST Studio Suite bietet den EMC-Workflow als umfassendes Werkzeug zur Überprüfung der Simulationsergebnisse vor der Prototypenphase an. Durch den Einsatz des EMC-Workflows werden die Kosten und Zeit für die Entwicklung eines Produkts sowie die Markteinführungszeit wesentlich reduziert.

Die Vorteile des EMC-Workflows auf einen Blick:

• Anwendung des EMC-Workflows zum Vergleich der Ergebnisse mit einem EMC-Standard
• Eine schnelle, einfache und präzise Methode zur Bewertung der Ergebnisse von EMV-Simulationen
• Peak Limit Lines, Average Limit Lines und Quasi Peak Lines sind verfügbar
• Limitlinien für ausgestrahlte und leitungsgebundene Emissionen stehen in verschiedenen Klassen zur Verfügung
• Limitlinien für verschiedene Standards sind verfügbar