Modellierung der Einstrahlung elektromagnetischer Felder in Mehrleitersysteme mit VHDL-AMS

Abstract:
Bussysteme aus ungeschirmten verdrillten Zweidrahtleitungen sollen im Kraftfahrzeug zunehmend auch für besonders sicherheitskritische Anwendungen wie z.B. eine elektrische Lenkung eingesetzt werden. Eine sehr hohe Zuverlässigkeit der Datenübertragung auch im Bereich starker elektromagnetischer Felder ist unbedingt erforderlich. Durch Simulationen kann bereits in frühen Entwicklungsphasen eine Aussage über die Störfestigkeit eines Bussystems getroffen werden. Für belastbare Simulationsergebnisse werden genaue Modelle der Mehrleitersysteme im elektromagnetischen Feld benötigt. Modelle, die in der Industrie letztlich zum Einsatz kommen, zeichnen sich aber neben präzisen Simulationsergebnissen auch durch kurze Simulationszeiten und einfache Erweiterungsfähigkeit aus. Aus diesem Grund beruhen die in diesem Paper beschriebenen Modelle auf der erweiterten Leitungstheorie und sind in der Hardwarebeschreibungssprache VHDL-AMS (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language – Analog and Mixed-Signal) verfasst. In der Kfz-Industrie findet die Hardwarebeschreibungssprache VHDL-AMS aus vielen Gründen zunehmend Verbreitung. Wichtige Vorteile von VHDL-AMS sind die hohe Abstraktionsfähigkeit und die große Flexibilität, die sich aus dem gleichungsbasierten Aufbau der Sprache ergibt. Auch die Standardisierung der Sprache vom IEEE hebt sie aus der Masse der Hardwarebeschreibungssprachen hervor. Ein weiterer Vorteil sind die frei erhältlichen, ständig wachsenden Bibliotheken, welche zurzeit z. B. bei der Forschungsvereinigung Automobiltechnik im AK 30 entstehen. Für das ebenfalls weit verbreitete Berechnungsprogramm SPICE und seine Derivate gibt es inzwischen eine Vielzahl an Leitungsmodellen, die für Erweiterungen aber entweder eine Modifikation des Quellcodes oder aufwändige mathematische Berechnungen mit externen Programmen erfordern. Durch die Flexibilität und Mächtigkeit der Beschreibungssprache VHDL-AMS ist es möglich, die Leitungsmodelle transparent zu formulieren und die aufwändigen Berechnungen im Modell zu integrieren. Aufbauend auf einem einfachen VHDL-AMS-Modell für eine Zweidrahtleitung, das auf dem Modell aus [6] beruht und keine Feldkopplungen berücksichtigen kann, werden Mehrleitermodelle für Signalintegritätsbetrachtungen und die Einstrahlung ebener elektromagnetischer Wellen in VHDL-AMS vorgestellt. Diese Modelle können für Analysen der Übertragungseigenschaften und Störfestigkeitsuntersuchungen von z.B. CAN- oder FlexRay-Bussystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.