Selbsterzeugte EMI bei drahtlosen und IoT-Geräten charakterisieren und beheben – AltiumLive 2022

Bei modernen tragbaren, mobilen und IoT-Geräten erzeugen häufig mehrere integrierte Energiequellen EMI. Die EMI aus diesen Energiequellen kann sich mit den Empfängern koppeln und oftmals ihre Leistung bei Mobilfunk-, GPS- und anderen drahtlosen Modulen beeinträchtigen. In diesem Vortrag werden Methoden zur Identifizierung, Charakterisierung und Reduktion der Kopplung dieser Energiequellen beschrieben. Entwerfen Sie Leiterplatten mit einer kostenlosen Testversion von Altium Designer unter folgendem Link: https://www.altium.com/de/altium-trial-flow

Highlights:

• Probleme mit selbsterzeugter EMI bei Mobilfunk- und drahtlosen Produkten
• Dreistufiges Verfahren zur Fehlerbehebung bei selbsterzeugter EMI
• Schmalband- und Breitband-EMI
• Bestmögliches Leiterplattendesign mit idealem Lagenaufbau und korrekter Partitionierung
• Bedeutung von Rückleitungsstrompfaden

Zusätzliche Ressourcen:

• „EMC Troubleshooting Trilogy“ (EMV-Fehlerbehebungstrilogie) von Kenneth Wyatt, erhältlich bei Amazon
• Entwerfen Sie Leiterplatten mit einer kostenlosen Testversion von Altium Designer

Transkript:

Kenneth Wyatt:
Hi, ich bin Kenneth Wyatt, EMV-Berater aus Colorado. Heute werde ich darüber sprechen, wie ich selbsterzeugte EMI für drahtlose und IoT-Geräte charakterisiere und Fehler behebe. Ich möchte mich bei Altium für die Einladung zu AltiumLive 2022 CONNECT bedanken. Die Einzelheiten zu meinem beruflichen Hintergrund können Sie nachlesen. Allerdings habe ich mehrere Bücher über EMV-Problembehebung und -Tests verfasst und mitverfasst, sowie viele Artikel zu diesem Thema für EDN, Signal Integrity Journal und Interference Technology. Meine letzte Veröffentlichung war meine „EMC Troubleshooting Trilogy“ (EMV-Fehlerbehebungstrilogie), die auf Amazon erhältlich ist. Band zwei über Emissionen enthält ein ganzes Kapitel über Eigeninterferenzen bei Drahtlosgeräten, wenn Sie mehr darüber erfahren möchten.

Kenneth Wyatt:
Warum ist selbsterzeugte elektromagnetische Interferenz (EMI) ein derart wichtiges Problem bei drahtlosen und Mobilfunkgeräten? Plattform- oder Eigeninterferenzen sind heute eine der größten Herausforderungen für Produktentwickler von drahtlosen oder IoT-Geräten. So beschäftigt Apple z. B. Dutzende von Desensiblisierungsingenieuren, um die unzähligen Eigeninterferenzen von den drahtlosen Geräten auf ihre Empfängermodule zu beheben. Die drei wichtigsten Quellen selbsterzeugter EMI sind Systemtakte, DC-DC-Wandler und digitales Busrauschen, wobei DC-DC-Wandler in der Regel die Hauptquelle sind. Viele Unternehmen integrieren Mobilfunk-LTE in ihre Produkte. Mobilfunkanbieter schreiben eine bestimmte Empfängerempfindlichkeit für die Zulassung in Ihrem System vor, die als isotrope Gesamtempfindlichkeit oder „TIS“ bezeichnet wird. Die onboard erzeugte EMI kann in empfindliche Empfänger einkoppeln und die Empfindlichkeit so weit herabsetzen, dass der TIS-Test fehlschlägt. Der minimale TIS-Wert liegt bei etwa minus 99 dBm und hängt auch von der Antenneneffizienz ab. Ich habe ein paar Links angefügt, die weitere Informationen zu diesem Test enthalten.

Kenneth Wyatt:
Es gibt vier mögliche Kopplungspfade für drahtlose oder IoT-Geräte: die Abstrahlung von Kabeln, die Leitung durch Drähte oder Leiterbahnen, sowie kapazitive und induktive Pfade, bei denen es sich in der Regel um parasitäre Kopplungen handelt. Hier ist ein weiteres Diagramm, das alle vier Kopplungswege zeigt. Da die meisten tragbaren drahtlosen Produkte keine Kabel haben, treten die letzten drei Kopplungspfade – geleitet, kapazitiv und induktiv – in der Regel intern auf der Leiterplatte auf. Mit dem Leiterplattendesign werden wir uns noch eingehender befassen.

Kenneth Wyatt:
Im Laufe der Jahre habe ich ein einfaches dreistufiges Verfahren zur Fehlerbehebung bei selbsterzeugter EMI entwickelt. Obwohl es ursprünglich darauf ausgelegt war, Strahlungsemissionen einzuschätzen, kann dieselbe Technik zur Charakterisierung selbsterzeugter EMI verwendet werden. Schritt eins ist die Verwendung von Nahfeldsonden, um Oberschwingungsenergiequellen auf der Leiterplatte zu identifizieren und die Emissionseigenschaften aufzuzeichnen. Der zweite Schritt ist die Verwendung einer HF-Stromsonde zur Messung der Systemkabelströme, falls vorhanden. Kabel können bekanntermaßen als Sendeantennen fungieren und Oberschwingungsenergie abstrahlen. Wir erfassen die gleichen Emissionsmerkmale. Im dritten Schritt wird eine nahegelegene Antenne verwendet, um die tatsächliche Oberschwingungsenergie zu bestimmen, die von der Leiterplatte oder den Kabeln abgestrahlt wird. Normalerweise suche ich zunächst zwischen 10 und 1500 Megahertz, um die üblichen Mobilfunk- oder GPS-Bänder zu beobachten. Werfen wir nun einen kurzen Blick auf jeden dieser Schritte.

Kenneth Wyatt:
Der erste Schritt besteht darin, eine mittelgroße H-Feldsonde zu verwenden, um die wichtigsten Energiequellen zu identifizieren und ihre Oberschwingungseigenschaften zu erfassen. Bei der Charakterisierung von Eigeninterferenzen fange ich meistens mit dem Bereich von 10 bis 1500 Megahertz an, um mir ein Gesamtbild zu verschaffen. Die Untersuchung mit einer Nahfeldsonde wird zeigen, welche Energiequellen auf der Platte möglicherweise EMI in den drahtlosen GPS- und Mobilfunkbändern erzeugen. In diesem Beispiel sehen wir eine Kombination aus Schmalband-Ethernet-Taktoberschwingungen und Breitband-EMI von einem DC-DC-Wandler.

Kenneth Wyatt:
Im Allgemeinen treten meistens zwei Formen von EMI auf: Schmalband- und Breitband-EMI. Schmalband-EMI wird durch eine Reihe harmonisch verwandter schmaler Spitzen dargestellt und ist in diesem Fall hauptsächlich auf den Systemtakt zurückzuführen. In diesem Fall wird sie vom Ethernet-Takt erzeugt. Breitband-EMI erscheint eher als Anstieg des Grundrauschens und besteht in Wirklichkeit aus einer Reihe von derart nah beieinanderliegenden wechselnden Oberschwingungen, dass sie ineinander „verschmiert“ erscheinen, mit einigen breiten, resonanten Spitzen. Bei Verwendung der in der Messnorm festgelegten typischen Auflösungsbandbreite von 120 Kilohertz wird Breitband-EMI in der Regel durch Datenbusaktivitäten oder DC-DC-Wandler erzeugt. Meiner Erfahrung nach sind diese in der Regel die Hauptquelle der Empfängerinterferenz.

Kenneth Wyatt:
Als Nächstes möchte ich mich auf ein bestimmtes Downlink-Band für Mobilfunkempfänger konzentrieren, in diesem Fall Band 5 von AT&T von 840 bis 860 Megahertz. Die gelbe Kurve stellt das Grundrauschen des Systems dar, während die blaue und violette Kurve die Messungen der zwei DC-DC-Wandler darstellen. Ein Wandler liegt 25 dB über dem Grundrauschen, und erfahrungsgemäß würde das Gerät den TIS-Empfindlichkeitstest nicht bestehen, falls dieser Wandler in den Mobilfunkempfänger koppelte. Schritt zwei umfasst das Messen eines beliebigen gekoppelten Hochfrequenz-Oberschwingungsstroms auf Kabeln mithilfe einer HF-Stromsonde. Wenn Ihr IoT-Gerät IO- oder Stromkabel enthält, können diese leicht Oberschwingungsfelder direkt in die Antennen einstrahlen. Ich betrachte nun die gleichen Breit- oder Schmalfrequenzbänder wie mit den Feldsonden.

Kenneth Wyatt:
Nach der Charakterisierung der potenziellen Emissionen mit der Nahfeld- und Stromsondierung besteht der dritte Schritt in der Verwendung einfacher, dicht angeordneter Antennen, um festzustellen, ob Oberschwingungsfelder abgestrahlt werden oder nicht. Möglicherweise müssen Sie die Antenne sehr nah positionieren, um schwächere Oberschwingungen zu erfassen. Ein Beispiel dafür werde ich Ihnen später in der Fallstudie zeigen. Kent Electronics ist ein Anbieter einfacher und kostengünstiger Breitbandantennen für Leiterplatten. Unter dem Link finden Sie einen Artikel über die Herstellung eines PVC-Adapters, mit dem sich die Antenne an einem Tischstativ befestigen lässt. Bei der Messung unzähliger drahtloser Geräte habe ich festgestellt, dass selbsterzeugte EMI größtenteils auf DC-DC-Wandler zurückzuführen ist. Die meisten modernen DC-DC-Wandlerschaltungen können relativ viel Breitband-EMI erzeugen.

Kenneth Wyatt:
Warum also erzeugen DC-DC-Wandler so viel Interferenz? Während die Schaltfrequenz dieser Wandler mit ein bis drei Megahertz relativ niedrig ist, liegen ihre Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich und können EMI weit über 1,5 Gigahertz verursachen. Wenn sich diese Schaltungen zu nah an HF-Modulen oder Antennen befinden oder in diese einkoppeln, kann dies die Empfangsleistung beeinträchtigen. In diesem Beispiel sehen wir uns einen typischen Abwärtswandler an. Wenn S1 geschlossen und S2 geöffnet ist, fließt der Wechselstrom in der roten Schleife. Wenn S1 geöffnet und S2 geschlossen ist, fließt der Wechselstrom in der blauen Schleife. Beachten Sie, dass in der grünen Schleife, die aus dem Eingangskondensator und den beiden Schaltern besteht, bei jedem Zyklus Wechselstrom fließt. Wir müssen daher die Fläche dieser Schleife minimieren, um die EMI zu begrenzen, sonst strahlt dieser Kreis aus wie eine Antenne.

Kenneth Wyatt:
Im Beispiellayout rechts wurde die grün dargestellte „heiße“ Schleife in Größe und Fläche reduziert. Das ist ein gutes Layout. Eine Technik, die ich zur Charakterisierung der EMI-Eigenschaften von DC-DC-Wandlern verwende, besteht darin, jede geschaltete Induktivität mit einer mittelgroßen H-Feldsonde zu messen. Dies hat den Vorteil, dass Messungen durchgeführt werden können, ohne dass die Schaltkreise mit einer Oszilloskopsonde möglicherweise kurzgeschlossen werden. Ich bezeichne das als „nichtinvasive Sondierung“. Für die bestmögliche Kopplung legt man die Sonde flach auf jede geschaltete Induktivität. Dadurch werden die meisten Flussleitungen gekoppelt.

Kenneth Wyatt:
Im Schaltplan interessieren wir uns für die Messung der Spannungskurve VL durch die Induktivität L. Zwischen der geschalteten Induktivität und der H-Feldsonde wird eine unbekannte gekoppelte gegenseitige Induktion M auftreten. Wir wissen, dass der Strom IL durch die Induktivität in der oberen Gleichung 1/L Integral VL dt beträgt. Vout am Sondenanschluss ist gleich M mal der Ableitung von IL bzw. M geteilt durch L mal VL. Das heißt, Vout ist proportional zu VL, der Induktivitätsspannung. Mit diesem Zusammenhang können wir alle wichtigen EMI-Eigenschaften der geschalteten Wellenform erfassen, wie wir auf der nächsten Folie sehen werden. Die Bandbreite der Sonde ist ausreichend, um die Messwerte nicht zu beeinflussen.

Kenneth Wyatt:
Hier sehen wir den Vergleich zwischen der Messung mit der H-Feldsonde (obere Kurve) und der Messung mit einer aktiven Hochfrequenz-Oszilloskopsonde (untere Kurve), die direkt mit dem Schaltknoten verbunden ist. Außer der Impulsamplitude sind alle anderen EMI-bezogenen Eigenschaften identisch. Das sind die Anstiegszeit, Impulsbreite, Periode und Schwingungsfrequenz. Die beiden wichtigsten EMI-Messwerte sind die Anstiegs- und Abfallzeiten sowie die Schwingungsfrequenz. Die Verwendung dieser nichtinvasiven Technik verhindert mögliche Fehler bei der Verwendung von Oszilloskopsonden und beschleunigt die Analyse und Charakterisierung der Wandler erheblich.

Kenneth Wyatt:
Es hat sich herausgestellt, dass Schwingungen einen großen Einfluss auf das Emissionsspektrum haben. Dies kommt häufig bei Schaltnetzteilen vor und wird auf den nächsten beiden Folien gezeigt. Die Schwingungsfrequenz erzeugt eine entsprechende Resonanzspitze im Emissionsspektrum eines Produkts. Die Schwingung ist auf parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten in den Schaltkreisen des Schaltnetzteils zurückzuführen. Diese unbewegliche Spitze hebt oft die gekoppelte EMI in den verschiedenen drahtlosen und Mobilfunk-LTE-Bändern hervor. Hier messen wir die geschaltete Wellenform eines DC-DC-Abwärtswandlers mit einem Megahertz mit Galliumnitrid-Schalter. Für die Messung verwenden wir ein Rohde & Schwarz RTE 1104 Oszilloskop mit einer aktiven RT-ZS10 1,5-Gigahertz-Sonde.

Kenneth Wyatt:
Sie können die sehr große Schwingungswelle mit einer Frequenz von etwa 217 Megahertz sehen. Hier ist eine Nahaufnahme dieser Schwingungswelle zusammen mit einem daraus resultierenden Emissionsspektrum. Bei der Messung des Eingangsstroms des Netzteils mit einer Stromsonde sehen wir in der Aqua-Kurve eine Spitze bei der Schwingungsfrequenz von 217 Megahertz. Bei der Messung des Ausgangsstroms des Netzteils werden Spitzen bei der Grundwelle von 217 Megahertz und der zweiten Oberschwingung von 434 Megahertz sowie bei höheren Oberschwingungen bis in die LTE-Mobilfunkbänder festgestellt. Man beachte das sehr breitbandige Emissionsspektrum des Ein-Megahertz-Schaltnetzteils. Dies ist sehr typisch für moderne Onboard-Schaltwandler.

Kenneth Wyatt:
Ich habe mir vor Kurzem ein EMScanner-System von Y.T.C. Technologies zugelegt. Der Scanner enthält eine Reihe von winzigen H-Feld-Schleifen innerhalb der Sensorplatte. Wird eine Leiterplatte auf das Array gelegt, lässt sich eine Heatmap der elektromagnetischen Felder erzeugen. Ich fange also damit an, dass ich dieses Gerät verwende, um die Felder rund um die Platte und die angeschlossenen Kabel zu bewerten. Die Ergebnisse sehen bisher vielversprechend aus und sind ein zusätzliches Fehlerbehebungstool, mit dem sich Hotspots auf drahtlosen Leiterplatten ermitteln lassen. Da wir wissen, dass DC-DC-Wandler, die in modernen eingebetteten Prozessoren verwendet werden, eine der Hauptquellen für potenzielle Störungen empfindlicher Onboard-Empfänger sind, wollen wir nun einen Blick auf die 10 besten Möglichkeiten werfen, um EMI von DC-DC-Wandlern zu reduzieren.

Kenneth Wyatt:
Tipp eins: Achten Sie auf den richtigen Lagenaufbau der Leiterplatten. Es gibt zwei sehr wichtige Regeln für gutes Leiterplattendesign, und die am häufigsten verwendeten, älteren Designs aus den vergangenen Jahrzehnten entsprechen diesen Regeln nicht. Über 100 Kilohertz werden alle Signal- und Leistungsübergänge als elektromagnetische Wellen innerhalb des dielektrischen Raums zwischen Leiterbahn- und Rückleitungsebene übertragen. Regel Nummer eins ist, dass alle Signalleitungs- und Versorgungsflächen oder -leiterbahnen eine angrenzende solide Rückleitungsgebene haben müssen, um ggf. auftretende elektromagnetische Wellen zu begrenzen. Regel Nummer zwei ist, dass alle Versorgungsflächen oder -leiterbahnen eine angrenzende solide Rückleitungsebene haben müssen, um ggf. auftretende transiente elektromagnetische Wellen zu begrenzen. Ein dritter Punkt besteht darin, sicherzustellen, dass alle kritischen Signale über einen definierten Rückleitungspfad zur Quelle verfügen. Ein gutes Beispiel ist das Verschicken von Signalen von oben nach unten auf der Platte. Beachten Sie bei kritischen Mixed-Signal- und drahtlosen Designs, dass dies die Verwendung der Versorgungsfläche als Rückleitungspfad bis auf wenige begrenzte Situationen unmöglich macht. Diese Regeln bestimmen das Lagenaufbau-Design. Weitere Informationen finden Sie in den verlinkten Beiträgen in den Referenzen.

Kenneth Wyatt:
Betrachten wir zunächst den Pfad der Rückleitungsströme, da dies der Hauptgrund ist, aus dem die Partitionierung der Schaltkreisfunktionen so wichtig ist. Hier ist eine Simulation dieses Konzepts mit einem Rückleitungsstrom in Grün. Bei einem Beispiel mit geringer Frequenz von einem Kilohertz auf der linken Seite sehen wir, dass sich der Rückstrom ausbreitet und im Grunde direkt von der Last zur Quelle zurückkehrt, über den sogenannten Pfad des geringsten Widerstands. In dem Hochfrequenzbeispiel mit einem Megahertz auf der rechten Seite befindet sich der Rückstrom direkt unter der Schaltungsleiterbahn bzw. dem Pfad mit der geringsten Impedanz. Die meisten Onboard-DC arbeiten heute mit einem Megahertz und mehr. Die Rückströme verlaufen also in der Regel direkt unter den Signalleiterbahnen. Da Rückströme oberhalb von 100 Kilohertz größtenteils unter den Signal- und Stromversorgungsleiterbahnen eingeschlossen sind, können wir das Konzept der Partitionierung nutzen, um verschiedene Teile des Schaltkreises zu isolieren. Die Partitionierung ist sehr wichtig, wenn wir unsere Platine zwischen analogen HF- und digitalen Schaltkreisen verwenden. In einer späteren Folie wird das eingehender beschrieben.

Kenneth Wyatt:
Es gibt zwei Perspektiven auf die Bewegung von Signalen in Leiterplatten: die Schaltungsperspektive und die Feldperspektive. In Wirklichkeit gehören sie zueinander. Das heißt, man kann die eine nicht ohne die andere Perspektive haben. In der Schaltkreistheorieperspektive wird nur berücksichtigt, dass Signale und Stromquellen zu ihren Quellen zurückkehren – das wurde uns schon im Grundstudium eingetrichtert. Um das Design von EMI-armen Leiterplatten vollständig zu verstehen, müssen wir auch berücksichtigen, wie sich die Signalenergie in Form von elektromagnetischen Wellen in Leiterplatten ausbreitet. Wenn wir nun die Feldperspektive betrachten, müssen wir verstehen, dass Signal- und Leistungsübergangsfelder sich in einem dielektrischen Raum fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, während die Leitungs- und Verschiebungsströme gleichzeitig entlang der inneren Oberflächen der Kupferleiterbahnen an die Quelle zurückfließen, sowie über die Rückleitungsebene, mit etwa einem Millimeter pro Sekunde. Wichtig ist, dass sich die Signalenergie in den Feldern und nicht im Kupfer befindet.

Kenneth Wyatt:
Wie breiten sich digitale Signale also in einem einfachen Mikrostreifen aus? Nehmen wir an, dass hier ein Mikrostreifen im Querschnitt über einer soliden Rückleitungsebene abgebildet ist. Links haben wir einen Gate-Treiber und rechts eine ohmsche Last mit der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleiterbahn. Oberhalb von 100 Kilohertz ist das digitale Signal tatsächlich eine elektromagnetische Welle, die sich im dielektrischen Raum zwischen der Kupferleiterbahn und der Rückleitungsebene ausbreitet, mit einer Wellenfront, die sich von links nach rechts ausbreitet, wenn das Gate in diesem Beispiel von einem hohen zu einem niedrigen Zustand übergeht. Es ist wichtig zu wissen, dass die Signalausbreitung nicht durch den Elektronenfluss im Kupfer erfolgt, wie lange Zeit angenommen wurde. Die elektromagnetische Welle führt zu einem Leitungs- und Verschiebungsstrom, der entlang der inneren Oberflächen der Kupferleiterbahn und -ebene sowie durch das Dielektrikum als Verschiebungsstrom fließt, hier jedoch mit einer sehr geringen Geschwindigkeit von etwa einem Millimeter pro Sekunde. Dieser Leitungsstrom ist das, was man mit einem Amperemeter messen kann.

Kenneth Wyatt:
Bei einem FR4-Dielektrikum breitet sich die Welle mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit aus, d. h. etwa sechs Zoll pro Nanosekunde. Bei den meisten vierlagigen Leiterplatten, die ich überprüfe, wird ein sehr gängiger Lagenaufbau mit hohem EMI-Risiko verwendet, wie in der Abbildung zu sehen ist: Als erstes fällt auf, dass die Stromversorgungs- und Rückleitungsebenen zu weit voneinander entfernt sind, um eine gute Hochfrequenzentkopplung zu gewährleisten. Daher ist davon auszugehen, dass Leistungsübergänge hier ausstrahlen. Um eine optimale Hochfrequenzentkopplung zu erreichen, sollten die Stromversorgungs- und die Rückleitungsschicht nicht mehr als zwei bis drei Millimeter voneinander entfernt sein. Der zweite wichtige Punkt ist, dass es eine Signalebene gibt, die auf die Versorgungsflächen referenziert und dass die Rückleitungsströme zurück zur Quelle fließen wollen, die normalerweise auf die Rückleitungsebene und nicht auf die Versorgungsfläche referenziert. Bei unkritischen Schaltungen ist es möglich, Signale auf die Versorgungsfläche zu referenzieren, und zwar dann, und nur dann, wenn die Versorgungsflächen und Rückleitungsebenen sehr eng miteinander gekoppelt sind, sowie mit ausreichenden Entkopplungskondensatoren. Für den klassischen vierlagigen Lagenaufbau ist dies jedoch sehr selten der Fall.

Kenneth Wyatt:
Es gibt wahrscheinlich viele Lösungen für das typische Vier-Lagen-Problem, aber hier sind einige, mit denen sich in der Regel eine möglichst geringe EMI erreichen lässt. Bei allen Lösungen lassen wir Signale und die geleitete Stromversorgung über eine Lage laufen. Der einzige Unterschied besteht darin, ob sich die Massereferenzebenen auf den inneren oder äußeren Lagen befinden. Der Vorteil, die Signale und die Stromversorgung über eine äußere Lage zu führen, besteht darin, dass sie bei der Fehlerbehebung leichter zugänglich sind. Andererseits hat die Positionierung der Referenzebenen auf den äußeren Lagen den Vorteil, dass die Vias um den Rand herum gesetzt werden können. So wird ein Faradayscher Käfigeffekt für eine bessere Selbstabschirmung der Leiterplatte erzielt.

Kenneth Wyatt:
Der Nachteil für beide Systeme liegt darin, dass man für jeden Stromversorgungs- und Rückleitungspin geeignete Entkopplungskondensatoren für kritische ICs benötigt. Für wirklich kleine und dichte Designs ist es in der Regel am besten, mit acht- oder zehnlagigen Aufbauten zu beginnen. Der am häufigsten verwendete sechslagige Aufbau auf der linken Seite hat ähnliche Probleme. Hier sieht man zunächst, dass die Versorgungsflächen und Rückleitungsebenen für eine gute Hochfrequenzentkopplung zu weit voneinander getrennt sind. Daher ist davon auszugehen, dass Leistungsübergänge hier ausstrahlen. Darüber hinaus – und das ist noch wichtiger – koppeln sich die Stromschienenübergänge mit den Signallagen drei und vier.

Kenneth Wyatt:
Um eine optimale Hochfrequenzentkopplung zu erreichen, sollten die Stromversorgungs- und die Rückleitungsschicht nicht mehr als zwei bis drei Millimeter voneinander entfernt sein. Weniger ist noch besser. Der zweite wichtige Punkt ist, dass es – wie bereits erwähnt – eine Signallagenreferenz auf die Versorgungsfläche gibt. Der vorgeschlagene Lagenaufbau auf der rechten Seite folgt den grundlegenden Regeln der Übertragungsleitungen und ermöglicht es auch, die Versorgungsflächen und Rückleitungslagen in der Mitte enger aneinander zu platzieren, für eine bessere Hochfrequenzentkopplung. Zu den Nachteilen gehört der Verlust einer Signallage; für moderne, hochdichte, drahtlose Produkte benötigt man jedoch wahrscheinlich ohnehin 8 oder 10 Lagen, um die beste Schaltungsleistung und die geringstmögliche EMI zu erzielen.

Kenneth Wyatt:
Da Rückströme bei Frequenzen über 100 Kilohertz in der Regel direkt unter den Signal- und Stromversorgungsleiterbahnen fließen, können wir diese Selbstisolierungseigenschaft nutzen, um rauschende Schaltungen von rauscharmen Schaltungen zu trennen, indem wir die wichtigsten Schaltkreisfunktionen partitionieren, aber dennoch eine solide Rückleitungslage für die Leiterplatte verwenden. Indem wir zum Beispiel die digitale Verarbeitung von den HF-Abschnitten getrennt halten, verhindern wir, dass die damit verbundenen Rauschrückströme in empfindliche Empfänger einkoppeln. Die Stromversorgung ist hier durch eine blaue Linie dargestellt, jedoch sollte man in der Realität allgemein eine solide Versorgungsfläche für die primäre 3,3-Volt-Digitalquelle verwenden. Optional kann diese je nach den Stromanforderungen des Systems über die gesamte Platte geführt werden. Es sollte sich auf jeden Fall um eine solide Versorgungsfläche unter allen digitalen Verarbeitungsschaltungen handeln, mit vielen Entkopplungskondensatoren zur Rückleitungsebene.

Kenneth Wyatt:
Es ist nicht immer realistisch, die Schaltkreisfunktionen wie in dem dargestellten vereinfachten Modell zu trennen, aber es ist sehr wichtig, bekannte Rauschquellen von drahtlosen und Mobilfunkmodulen zu isolieren. Ein wichtiges Ziel besteht darin, alle drahtlosen Schaltkreise zu gruppieren und von rauschbehafteten digitalen Verarbeitungsschaltungen und Leistungswandlern zu trennen. Und obwohl ich die Leistungsumwandlung als separaten Block darstelle, befindet sie sich oft näher am Stromeingangsanschluss oder auch näher an der Last, die sie versorgt. Ich würde trotzdem alle DC-DC-Wandler weit entfernt von drahtlosen Modulen halten.

Kenneth Wyatt:
Tipp zwei: Verwenden Sie EMI-arme Wandler. Sowohl Texas Instruments als auch Analog Devices oder Linear Technologies entwickeln weiterhin EMI-arme Wandler, und ich bin sicher, dass andere Hersteller das auch tun. Beispielsweise hat TI ein neues QFN-Gehäuse entwickelt, mit der die Ein- und Ausgangskondensatoren näher am Gehäuse platziert werden können. Einige ihrer Geräte bieten auch die Möglichkeit, die Slew-Rate der geschalteten Antriebsspannung zu steuern. Analog Devices haben ihren stillen Schalter entwickelt, mit dem die Ein- und Ausgangskondensatoren ebenfalls besonders nah am IC-Gehäuse angeordnet werden können. Bei den neueren „Silent Switcher 2“-Wandlern mit geringer EMI sind sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangskondensatoren und die zugehörigen Schleifen im IC-Gehäuse integriert. Und schließlich ist in ihrem Mikromodul-Design auch der Schaltinduktor integriert. Diese Schalter sind zwar teurer, aber besonders rauscharm in Hinblick auf EMI in drahtlosen Anwendungen. Viele Wandler bieten auch die Möglichkeit, Spread Spectrum Clocking zu verwenden, wodurch die durchschnittliche EMI weiter reduziert werden kann.

Kenneth Wyatt:
Tipp drei: Halten Sie die Wandlerschaltungen auf einer Lage. Ein Problem, das häufig zu Rauschkopplungen führt, ist die Übertragung schneller Schaltsignale von oben nach unten auf der Leiterplatte. Bei einem meiner Kunden war die Abwärtswandlerschaltung auf der oberen Lage und die Ausgangsschaltinduktivität auf der unteren Lage seiner Platte untergebracht. Die daraus resultierenden Schaltströme von drei Megahertz, die von oben nach unten und zurück flossen, erzeugten genug Interferenzen, um den Onboard-GPS-Empfang zu blockieren.

Kenneth Wyatt:
Tipp vier: Halten Sie die Wandlerschaltungen in der Nähe des ICs. Wir sind bereits darauf eingegangen, dass DC-DC-Wandler immer eine Eingangsstromschleife und eine Ausgangsstromschleife haben. Die Flächen dieser Schleifen müssen minimiert werden. Die IC-Hersteller erkennen allmählich, dass EMI ein Problem darstellt, und warnen die Designer vor diesem Problem. Die Wandlerhersteller geben am Ende des Datenblatts oft ein empfohlenes Layout an. Allerdings sind diese Layout-Empfehlungen selbst in den letzten zwei bis drei Jahren oftmals ungenau. Ältere Empfehlung sind meist falsch. Sowohl die Ein- als auch die Ausgangskondensatoren sowie die Ausgangsinduktivität sollten so nah wie möglich an den IC-Gehäusen platziert werden, um diese Schleifen so klein wie möglich zu halten. Ein weiterer wichtiger Punkt besteht darin, die Vermischung von Ein- und Ausgangsschaltungen von Wandlern im Leiterplattenlayout zu vermeiden. Wir wollen die Primär- und die Sekundärschaltung so weit wie möglich voneinander trennen. Und zu guter Letzt dürfen die Eingangs- und Ausgangskondensatoren nicht denselben Rückstrompfad benutzen.

Kenneth Wyatt:
Mein Kollege Dr. Todd Hubing von www.learnemc.com bietet ausgezeichnete Präsentationen über das Layout von DC-DC-Wandlern an. In den Referenzen finden Sie einen Link zu seiner Website. Tipp Nummer fünf: Die Masserückleitungsebene muss solide sein. Schnell schaltende Signal- oder Wandlerleiterbahnen, die Lücken oder Schlitze in der Masserückleitungsebene kreuzen, koppeln EMI in die gesamte Leiterplatte und können in empfindliche Empfänger einkoppeln. Auf meiner Website gibt es ein kurzes Video, in dem erläutert wird, warum Lücken in der Rückleitungsfläche eine Katastrophe in Hinblick auf EMI darstellen. Sie sehen den Unterschied zwischen den Emissionen einer Rückleitungsebene mit oder ohne Lücke im rechten Screenshot.

Kenneth Wyatt:
Die EMI erhöht sich um etwa 15 bis 20 dB, wenn die Rückströme um eine Lücke im Rückweg herumgezwungen werden. Es wird darüber debattiert, ob es am besten ist, die Hohlräume in der Rückleitungsebene entweder unter dem Schaltknoten, der Schaltinduktivität oder unter beiden zu platzieren, oder eine solide Rückleitungsebene zu verwenden. Steve Sandler von Picotest hat Abwärtswandlerplatten mit jeder Konfiguration erstellt, und ich habe sie auf verschiedene Weise ausgemessen, mit einer Stromsonde am Stromeingang oder mit einem LISN, der jeweils nur die Gleichtakt- oder Differentialmodus-EMI extrahieren kann. Bei jeder Messung wies die solide Ebene bei den meisten Frequenzen die insgesamt besten Werte auf, zumindest innerhalb des Messfehlers. In den meisten Fällen waren die Unterschiede gering und betrugen nur 2 bis 3 dB. Wenn sich das Gerät jedoch nah an der Grenze befindet, können diese 2 bis 3 dB ausschlaggebend für die Konformität sein.

Kenneth Wyatt:
Tipp Nummer sechs: Die Schalt- oder Ausgangsinduktivität sollte abgeschirmt werden, um die Magnetfelder einzuschränken. Im Querschnitt auf der linken Seite ist zu erkennen, dass die Wicklung auf der linken Hälfte mit zusätzlichem Ferrit bedeckt ist und die Magnetfelder ausschließlich auf die Spaltbereiche beschränkt sind. Im rechten Querschnitt sind die Feldlinien nicht abgeschirmt und können frei abstrahlen und in andere Schaltkreise einkoppeln. In den Diagrammen und Simulationen von Patrick DeRoy ist ein deutlicher Unterschied zu erkennen. Grundsätzlich gilt: Wenn Sie die Wicklungen sehen können, liegt keine Abschirmung vor. Hier ist ein weiteres Diagramm von Patrick DeRoy, das den Unterschied im Magnetfeld zwischen den abgeschirmten und den nicht abgeschirmten Induktivitäten zeigt. Der Unterschied beträgt etwa 15 bis 20 dB.

Kenneth Wyatt:
Tipp Nummer sieben: Richten Sie die Ausgangsinduktivität so aus, dass die EMI möglichst gering ist. Hier ist ein Trick, den die meisten nicht kennen: Die Windungen von Induktivitäten haben einen Anfang und ein Ende. Der Anfangsanschluss wird manchmal oben im Körper mit einem Halbmond, Punkt oder einer Linie markiert. Würth Elektronik verwendet zum Beispiel eher eine Linie oder einen Punkt. TDK verwendet einen Halbmond. Da der Anfang der Windung durch die Gesamtheit der Windungen verdeckt ist, wird er durch eben diese Windungen etwas abgeschirmt. Richten Sie den Anfang der Windung auf den geschalteten Knoten des DC-DC-Wandlerschaltkreises aus (häufig mit „SW“ markiert). Das Ende der Windung ist mit dem Ausgangsfilter verbunden, wodurch es leiser oder stärker gefiltert ist als der Anfang der Windung. Nach dem Leiterplattenexperte Rick Hartley kann das die EMI um 2 bis 3 dB verringern.

Kenneth Wyatt:
Tipp Nummer acht: planen Sie lokale Abschirmungen ein. Trotz abschirmender Induktivitäten, guten Leiterplattendesigns und Layout-Praktiken werden immer noch starke H- und vor allem E-Felder um die Schaltungsschleifen und die Ausgangsinduktivität erzeugt. Entwerfen Sie Ihre Leiterplatten so, dass sie diese lokalen Abschirmungen von Anfang an mit einplanen können, indem Sie umliegende Lötstreifen einbauen, die mit der Masserückleitungsebene verbunden sind. Möglicherweise müssen Sie diese auch um die Prozessor- und die Speicher-ICs herum anbringen. Und falls Sie sie nicht brauchen, ist das kein Problem. Würth Elektronik, Layad und viele andere Hersteller fertigen solche standardmäßigen und angepassten lokalen Abschirmungen an. Meiner Erfahrung nach ist es sehr schwierig, temporäre Abschirmungen zu verlöten, wenn diese Lötstreifen nicht bereits zu Beginn ins Design aufgenommen werden.

Kenneth Wyatt:
Hier ist eine weitere Messung von Patrick DeRoy, die zeigt, wie sehr das E- und H-Feld durch eine lokale Abschirmung einen Zentimeter über der Leiterplatte reduziert werden. Auf der linken Seite sehen Sie eine ziemlich dramatische Reduktion des E-Feldes, das direkt in die drahtlosen Antennen abstrahlen könnte, wenn es nicht abgeschirmt wäre. Dies sind die Ergebnisse einer Studie von Samsung-Ingenieuren über die Verwendung von lokalen Abschirmungen. Beachten Sie, dass in dem abgeschirmten Telefon rechts fast keine Felder auftreten. Die meisten Mobiltelefone verwenden heute mehrere lokale Abschirmungen für den Großteil der Schaltkreise.

Kenneth Wyatt:
Tipp Nummer neun: Verwenden Sie HF-Absorber. Eine vielversprechende Abhilfemaßnahme sind flexible, mit Ferriten bestückte HF-Absorber. Ich habe in den letzten Jahren eine relativ große Sammlung angehäuft, aber erste Experimente scheinen darauf hinzudeuten, dass sie bei Mobilfunkfrequenzen nur wenig bewirken. Ich werde diesen Tipp noch in einigen Folien erörtern, weil ich der Meinung bin, dass es hiermit eine echte Möglichkeit gibt, die internen Kopplungen zu Empfängermodulen zu reduzieren. Ich möchte daher andere ermutigen, mit dieser Technik zu experimentieren. Würth Elektronik hat den Anwendungshinweis ANP059 veröffentlicht, in dem drei Methoden zur Charakterisierung dieses HF-Absorbers beschrieben werden, je nach Anwendung. Die für die Absorption elektromagnetischer Felder am besten geeignete Methode war die in der Folie beschriebene Mikrostreifenmethode. Bei dieser Technik wird die Dämpfung einfach durch einen Mikrostreifen gemessen, wenn das Ferritmaterial darübergelegt wird. Die Befestigung des Absorbers an Geräten oder Leiterbahnen mit Hochfrequenz-Oberschwingungen hilft dabei, alle strahlenden Felder zu unterdrücken.

Kenneth Wyatt:
Da die meisten Hersteller nicht die Art von Absorptionsdaten bereitstellen, die ich benötige, habe ich einen Scaler-Netzwerkanalysator eingerichtet. Anschließend habe ich damit angefangen, alle Proben zu charakterisieren, die ich hatte, um ein Material zu finden, das für den Bereich von 600 bis 1500 Megahertz verwendbar ist. Die meisten meiner Proben waren nur in den Mikrowellenfrequenzen effektiv. Ich konnte aber auch einige finden, die in den gängigeren drahtlosen und Mobilfunkbändern funktionierten. Das Testen ging sehr schnell, denn ich musste lediglich jede Probe über dem 50-Ohm-Mikrostreifen positionieren und die Ergebnisse aufzeichnen. Die Ergebnisse dieser Studie sind in den Referenzen aufgeführt. Zwei der besten Materialien für die wichtigen drahtlosen und GPS-Bänder waren die Absorbermaterialien Parker-Chomerics SS4850 0100 0150 300 und Arch Techs WAVE-X WXA20. Bei jedem Material lässt sich eine Absorption von mindestens 10 dB im LTE-Mobilfunkband und bis zu 20 dB im GPS-Band beobachten.

Kenneth Wyatt:
In dieser Fallstudie habe ich den Kunden bei der Reduktion der Mobilfunkdesensibilisierung in mehreren Bändern unterstützt. Es gab mehrere Energiequellen, die selbsterzeugte EMI produzierten. In diesem Experiment befestigte ich die selbstklebenden Aufkleber von Arc Tech WAVE-X WXA20 über einem DDS-RAM, einem Flex-Kabel, das mit HF belastet war, sowie einem Energieverwaltungs-IC mit mehreren DC-DC-Wandlern. Und diese werden durch kleine rote „X“-Symbole markiert.

Kenneth Wyatt:
Bei diesem IoT-Gerät befanden sich die Mobilfunkantennen oben und unten und die GPS- und WLAN-Antennen an den Seiten. Wir haben ein starkes Videosignal von der Seite der Leiterplatte mitten im LTE-Band 5 erhalten, einem AT&T-Band. Nach dem Anbringen der drei kleinen Absorber-Aufkleber wurde das starke Signal um mindestens 15 dB in das Grundrauschen abgesenkt und die Mobilfunk-Empfangssensibilität wurde deutlich verbessert. Ich glaube, es gibt noch viel mehr Möglichkeiten, mit Ferriten beladene Absorber einzusetzen, um Hochfrequenzenergiequellen wie DC-DC-Wandlern entgegenzuwirken. Das Problem besteht darin, dass die meisten dieser Materialien für die Mikrowellenbänder entwickelt wurden und in den Bändern, die von den meisten IoT-Geräten verwendet werden, nicht wirksam sind.

Kenneth Wyatt:
Tipp Nummer 10: Positionieren Sie Antennen und Koaxialkabel nicht in der Nähe von DC-DC-Wandlern und anderen Kabeln. Antennen und ihre zugehörigen Koaxkabel sollten, falls sie verwendet werden, so weit wie möglich von DC-DC-Wandlern, Prozessoren und IO- oder Netzkabeln entfernt sein. Wie wir in den vorherigen Folien gesehen haben, hat die Eingangsschaltungsschleife von Abwärtswandlern mit großem Spannungsabfall ein relativ hohes Verhältnis dV/dt. Das damit verbundene elektrische Feld kann direkt in die Empfängerantenne einkoppeln. Darüber hinaus können IO- und Netzkabel gängige Gleichtaktströme, die auf der Platte erzeugt werden, direkt in die Antennen einkoppeln.

Kenneth Wyatt:
Und hier nun Bonustipp Nummer 11: Trauen Sie den Datenblättern der IC-Hersteller nicht. Manche Datenblätter sind zwar korrekt, aber sehr oft sind die EMV-Design- und Layoutempfehlungen schlichtweg falsch. Hier sind ein paar Beispiele von TI. Und gehen Sie nicht davon aus, dass TI der einzige Hersteller ist, der inkorrekte Design-Informationen liefert – das kommt bei allen Herstellern vor. Auf der linken Seite macht der TI TPS54308 eine solide Rückleitungsebene unklar. Der Schalterknoten zieht sich über die gesamte Platte und die Ein- und Ausgangskondensatoren haben denselben Masserückleitungspfad. Der Schalterknoten muss eine möglichst geringe Fläche aufweisen und sich in der Nähe des IC befinden.

Kenneth Wyatt:
Im vorgeschlagenen Layout für den TI LMR 33630 auf der rechten Seite verwenden die Ein- und Ausgangskondensatoren denselben Masserückleitungspfad. Dies ist eine hervorragende Möglichkeit, um die Schaltspannung direkt an die sekundäre Stromschiene zu koppeln. Dr. Todd Hubing hat auf dem 2020 IEEE Symposium EMC+SIPI einen ausgezeichneten Vortrag zu genau diesem Thema in Bezug auf die Datenblätter und Anwendungshinweise der Hersteller gehalten; er behandelt dieses Thema auch in seinen Kursen auf learnemc.com. Hier ist also eine lange Liste von Dingen, die Sie ausprobieren können, wenn Sie Probleme mit selbsterzeugter EMI haben, die den TIS-Test der Empfängerempfindlichkeit beeinträchtigt. Basierend auf meiner Erfahrung mit Dutzenden von Kundenprojekten werden einige dieser Experimente Ihnen helfen, Probleme zu erkennen, und andere eher nicht. Ich werde nicht die gesamte Liste durchgehen, möchte aber einige Möglichkeiten aufzeigen, wie man eindeutig feststellen kann, welcher DC-DC-Wandler bzw. welche Wandler in den Empfänger einkoppeln.

Kenneth Wyatt:
Da die meisten IoT-Geräte eingebettete Prozessoren verwenden, die drei bis fünf Stromschienen benötigen, gibt es einen sehr nützlichen Trick, um festzustellen, welche Wandler die vorherrschende EMI verursachen: man kann sie durch Batterien ersetzen oder lineare Spannungsregler mit drei Anschlüssen anbringen. Das ist einfacher, als Sie vielleicht denken, denn dazu muss nur die Schaltinduktivität von der Platte entfernt und die Stromschiene angezapft werden. Durch das Entfernen der Induktivität wird die Schaltaktivität gestoppt. Wir haben entweder Batteriepakete mit Schottky-Dioden in Serie verwendet, um die EMI auf den richtigen Pegel abzusenken, oder lineare Regler mit drei Anschlüssen eingelötet. Sobald diese EMI-Quellen identifiziert sind, kann der Fokus auf diesen Bereich der Leiterplatte gerichtet werden, um mögliche Koppelflächen zu identifizieren.

Kenneth Wyatt:
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir, um die bestmögliche TIS-Leistung des Empfängers zu erreichen, sicherstellen müssen, dass das Design der Platine so gut wie möglich optimiert ist, indem wir den richtigen Lagenaufbau verwenden und korrekt partitionieren. Außerdem müssen wir sicherstellen, dass die Schaltkreise des DC-DC-Wandlers eng aneinander liegen und sich auf der oberen Lage befinden, mit einer soliden Rücklaufebene darunter. Sehr wahrscheinlich sind lokale Abschirmungen über Hochleistungsquellen wie DC-DC-Wandler, Prozessoren und Speicher erforderlich. Versuchen Sie, bekannte Energiequellen wie abstrahlende Leiterbahnen, Prozessoren, RAM und DC-DC-Wandler mit HF-Absorbern zu versehen. Die richtige Platzierung von drahtlosen und Mobilfunkantennen ist ebenfalls ein wichtiger Faktor.

Kenneth Wyatt:
Hier sind ein paar Ressourcen, die ich hilfreich find, sowie einige meiner Artikel, die mehr in die Tiefe gehen. Selbsterzeugte EMI ist bereits seit langer Zeit ein Problem bei Herstellern, die drahtlose und Mobilfunk-IoT-Produkte entwickeln. Ich hoffe, dass diese Tipps Ihnen helfen, eine niedrige EMI-Rauschkopplung zu Ihren drahtlosen und Mobilfunkempfängern zu erreichen. Weitere Informationen zur Behebung von EMI-Problemen bei drahtlosen Anwendungen oder zur allgemeinen EMV-Fehlerbehebung finden Sie in meinen Blogs auf design-4-emc.com, auf EDM, auf interferencetechnology.com oder auf meiner Amazon-Autorenseite.