Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design: Komponentenplatzierung für EMC

In diesem zweiten Artikel der Serie Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design werden wir tiefer in eines der Schlüsselkonzepte für die Aufrechterhaltung niedriger Ebenen elektromagnetischer Interferenzen (EMI) eintauchen.

Die Aufteilung der Platine, auch bekannt als Platinenpartitionierung, ist eine Methode, um die verschiedenen Schaltungsteile einer Leiterplatte (PCB) zu organisieren und sie voneinander getrennt zu halten. Dies verbessert die Gesamtleistung der Platine, insbesondere in Bezug auf EMI. Diese Technik hilft nicht nur, elektromagnetische Interferenzen zu reduzieren, sondern verbessert auch die Signalintegrität des PCB-Designs.

Die Prinzipien hinter diesen Techniken umfassen:

1. Das Eindämmen des hochenergetischen Inhalts von hochfrequenten digitalen Signalen.
2. Das Vermeiden von gemeinsamer-Impedanz-Kopplung zwischen verschiedenen Arten von Schaltkreisen innerhalb der Platine.
3. Die Reduzierung von Stromschleifenflächen, um Emissionen zu verringern und die Immunität gegen externe Störungen zu verbessern.

High-Speed vs. Low-Speed Signale und ihre Harmonischen

Das erste Konzept beinhaltet die Kontrolle des hochenergetischen harmonischen Inhalts, der durch schnell schaltende Signale erzeugt wird und wie schnell sich ihr Strom über die Zeit ändert. Eine höhere Änderungsrate des Stroms führt zu größerer harmonischer Energie in den Signalen, was die Wahrscheinlichkeit von Strahlung erhöht.

Das zweite Konzept ist, dass der Rückstrom eines Signals mit der Frequenz des Signals variiert. Dies liegt daran, dass die Impedanz, auf die ein Signal während der Ausbreitung trifft, nicht nur aus dem Widerstand der Leiter besteht, sondern auch deren Kapazität und, am wichtigsten, deren Schleifeninduktivität umfasst. Mit zunehmender Signalfrequenz wird die induktive Komponente der Impedanz (die von der Frequenz abhängt) größer.

Unterschiede in den Rückwegen

Da der Strom immer den Weg der geringsten Impedanz sucht, ist es wichtig zu verstehen, dass mit zunehmender Signalfrequenz der Rückstrom dem Signalstrom eng folgt, um die induktive Schleife zu minimieren. Umgekehrt, bei niedrigen Signalfrequenzen, wo die Induktivität klein wird, wird die resistive Komponente der Impedanz vorherrschend.

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In diesem Stadium breitet sich der Rückstrom über die Oberfläche des Leiters aus, um den Weg des geringsten Widerstands zu finden. Der kritische Punkt für PCB-Designer ist, dass der Weg des Rückstroms zurück zur Quelle von der Signalfrequenz abhängt.

Abbildung 1 - Beispiel für unterschiedliche Rückstrompfade basierend auf der Frequenz in Altium Designer

Unsere Aufgabe als PCB-Designer besteht darin, die Interferenzen zwischen diesen Rückströmen zu minimieren, um eine gemeinsame Impedanzkopplung zu vermeiden, die zu elektromagnetischen Emissionen führen kann. Um dies zu erreichen, können wir spezifische Zonen oder Abschnitte auf der PCB erstellen, die jeweils einem bestimmten Typ von Schaltung gewidmet sind. Dies reduziert auch Stromschleifen, was zu weniger Strahlung von differentiellen Strömen führt.

Es mag verlockend erscheinen, einen Schnitt in der Rückführungsreferenzebene (RRP) zu erstellen, um die Rückstrompfade verschiedener Schaltungen weiter zu isolieren. Dieser Ansatz entspricht jedoch nicht den besten Praktiken für EMC, da er eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Metallbereichen erzeugt und eine antennenähnliche Struktur bildet, die elektromagnetische Emissionen verursachen kann.

Abbildung 2 - Beispiel eines falschen Ebenenschnitts in Altium Designer

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Die Lösung besteht darin, eine solide, niederimpedante Rückführungsreferenzebene zu implementieren, die es dem Rückstrom ermöglicht, den bevorzugten Weg zurück zur Quelle zu finden. Diese Ebene sollte keine Schnitte, Spaltungen oder große Lücken aufweisen, die als Quellen von Gleichtaktstörungen wirken können. Die Platzierung der Komponenten sollte dann in deutlich getrennte Abschnitte unterteilt werden, indem die Komponenten basierend auf ihrem Typ der Schaltung und Funktion verteilt werden.

Für eine Mixed-Signal-Platine ist die typische Aufteilung, das Board in einen digitalen Bereich, einen Leistungsbereich, einen analogen Bereich, einen Ein-/Ausgangsbereich und bei Bedarf einen Filterbereich zu unterteilen. Der digitale Bereich sollte beispielsweise weit entfernt von anderen Komponenten platziert werden. Obwohl der Rückstrom den Signalleitungen eng folgen wird, wird die hohe Energie im harmonischen Inhalt der Signale effektiver strahlen und könnte mit anderen Bereichen der Platine koppeln.

Ein Beispiel hierfür ist, wenn das Taktsignal mit anderen Netzen in anderen Teilen der Platine koppelt, wie den Leistungs- und Analogbereichen, an die möglicherweise Kabel angeschlossen sind, die als Antennen wirken und Emissionen fördern.

Antennenstrukturen mit Kabeln

Der Ein-/Ausgangsbereich ist entscheidend, nicht nur um die Rauscheinspeisung in die Kabel zu begrenzen, sondern auch um durch Filtertechniken und Abschirmung eine weitere Isolierung zu ermöglichen, um externe Störungen zu reduzieren oder Rauschemissionen von der Platine zu begrenzen. Das Layout muss Kabel und umgebende Geräte oder Strukturen berücksichtigen. Der digitale Bereich sollte weit entfernt von diesem Ein-/Ausgangsbereich platziert werden, idealerweise im Inneren der Platine, fern von den Kanten, um zu vermeiden, dass hochenergetischer harmonischer Inhalt an Kabel koppelt oder von den Kanten abstrahlt.

Abbildung 3 - Beispiel für eine falsche Ebenentrennung in Altium Designer

Zusätzlich wird empfohlen, alle Ein- und Ausgangskabel auf einer Seite der Platine statt an mehreren Kanten zu platzieren, um Spannungsunterschiede zwischen den Kabeln zu vermeiden und antennenähnliche Strukturen, die die Abstrahlung digitaler Signale oder Störungen fördern können, zu verhindern.

Schlussfolgerung

Indem Sie diesen Empfehlungen folgen, können Sie effektiv abgestrahlte Emissionen reduzieren und die Kopplung externer Störungen in Ihr Design begrenzen.

Im nächsten Artikel werden wir untersuchen, wie man das optimale PCB-Stackup für verbesserte EMI-Leistung und reduziertes Risiko auswählt. Folgen Sie unseren Seiten und sozialen Medien für weitere Einblicke.

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