Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design: Vermeidung von Übersprechen für eine bessere EMI

Willkommen zum sechsten Artikel in der Serie, Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Crosstalk sowohl die Signalintegrität als auch die EMI beeinflussen kann, und besprechen, welche Schritte wir unternehmen können, um dies in unseren Designs anzugehen.

Abbildung 1 - Beispiel für PCB-Design in Altium Designer^®

Crosstalk ist eines der am häufigsten auftretenden Probleme in modernen Leiterplatten (PCB)-Designs. Mit der zunehmenden Dichte von PCBs wird dieses Phänomen immer verbreiteter. Der Trend, immer mehr Hochgeschwindigkeitsschnittstellen in immer kleinere Bereiche der Platine zu integrieren, verschärft die Herausforderung, da kompakte Layouts zu einer engeren Nähe zwischen den Leiterbahnen führen, was die Wahrscheinlichkeit von Crosstalk erheblich erhöht.

Im Wesentlichen bezieht sich das Signal-Crosstalk auf die unbeabsichtigte Übertragung eines elektrischen Signals von einem Netz (oder einer Leiterbahn) auf ein anderes. Dies tritt auf, wenn das von einem Signal entlang einer Leiterbahn erzeugte elektromagnetische Feld mit einer benachbarten Leiterbahn interagiert. In diesem Kontext wird die Leiterbahn, die das ursprüngliche Signal trägt, üblicherweise als der "Aggressor" bezeichnet, während die Leiterbahn, die das unerwünschte Signal empfängt, als das "Opfer" bekannt ist.

Abbildung 2 - Beispiel, wie Crosstalk in einem Schaltkreis auftreten kann

Im Bereich der elektromagnetischen Interferenzen (EMI) wird das Übersprechen sehr wichtig, da es nicht nur die Ursache von Störungen innerhalb eines Systems sein kann, sondern auch zur Quelle elektromagnetischer Emissionen werden kann, die andere Geräte stören. Wichtig zu verstehen beim Übersprechen ist, dass es nicht nur zwischen den Signalleitungen auftritt, wo der Signalstrom fließt, sondern auch bei den Rückleitern, wo der Rückstrom zu seiner Quelle zurückfließt. Hier treten Phänomene wie „Ground Bounce“ auf, was ebenfalls eine Form des Übersprechens ist, das im Rückleiter auftritt.

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Verständnis von Übersprechen und seinen Auswirkungen

Das Phänomen des Übersprechens tritt aus zwei Hauptgründen auf: kapazitive Kopplung und induktive Kopplung zwischen Leitern. Wenn zwei oder mehr Leiterbahnen zu dicht beieinander verlegt werden und wenn sich eine Signalspannung und -strom über die Zeit ändern, können die Randfelder (elektrische und magnetische Felder) an den Kanten der Signalleitungen (der Aggressor) zu den benachbarten Leitungen (die Opfer) koppeln, was zu unerwünschtem Rauschen auf diesen benachbarten Leitungen führt.

Die Aufgabe des PCB-Designers, um Übersprechen und effektiv EMI zu reduzieren, besteht darin, die Auswirkungen dieser Randfelder auf andere Leiter zu minimieren, so dass Rauschen sich nicht von einer Leitung zur anderen ausbreitet.

Abbildung 3 - Beispiel für induktive und kapazitive Kopplung zwischen Signalleitungen

Im Hinblick auf EMI wird dies zu einem Problem, wenn das Rauschen Emissionen erzeugt, entweder von den PCB-Leiterbahnen oder von den mit diesen Leiterbahnen verbundenen Drähten oder Leitern.

Arten von Übersprechen

Bei der Behandlung von Übersprechen ist es auch wichtig, zwischen zwei Typen zu unterscheiden: Nahend-Übersprechen (NEXT) und Fernend-Übersprechen (FEXT).

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Nahend-Übersprechen, auch NEXT genannt, ist die Art von Übersprechen, die am gleichen Ende der Übertragungsleitung auftritt, an dem das Signal übertragen wird. Im Wesentlichen ist es die Interferenz, die von einem nahegelegenen Leiter am sendenden Ende des Stromkreises aufgenommen wird.

Fernend-Übersprechen, oder FEXT bezieht sich auf Übersprechen, das am gegenüberliegenden Ende der Übertragungsleitung auftritt, von wo das Signal übertragen wird. Es ist die Interferenz, die von einem nahegelegenen Leiter am empfangenden Ende des Stromkreises aufgenommen wird. Der Schlüsselunterschied ist, dass NEXT nahe dem Quellenende auftritt, während FEXT nahe dem Zielende auftritt. NEXT geschieht in der entgegengesetzten Richtung der Signalübertragung (Rückwärtsrichtung), wohingegen FEXT in der Richtung der Signalübertragung (Vorwärtsrichtung) geschieht.

Praktische Beispiele und Layoutstrategien in Altium Designer

Ohne zu tief in die Komplexitäten des Signalübersprechens einzutauchen, was eine ganze Serie füllen könnte, gibt es mehrere Möglichkeiten, dessen Auswirkungen zu reduzieren. Die meisten dieser Techniken hängen von der Art und Weise ab, wie wir das PCB-Layout entwerfen, was bedeutet, dass die geometrische Gestaltung der PCB sehr wichtig wird. Die effektivsten Wege, um Crosstalk zu reduzieren, sind tatsächlich damit verbunden, wie wir die Leiterbahnen zueinander auf der PCB anordnen.

Eine der ersten Strategien, die wir verwenden können, ist, den Abstand zwischen den Leitern zu erhöhen, sodass sich die elektrischen und magnetischen Felder nicht miteinander koppeln.

Abbildung 4 - Beispiel für den Abstand von Signalleitungen vor und nach der Verbesserung

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Eine weitere Technik, die wir verwenden können, ist, den Raum zwischen den Signalleitungen und der Rückführungsreferenzebene zu verringern. Dies wird die Signalfelder eng mit ihren Rückführungsreferenzebenen koppeln und die Ausbreitung dieser Felder auf andere Leiter reduzieren.

Auch die Verkürzung der Länge beider Leiter, des Signalleiters und des Rückführungsreferenzleiters, wird die Menge der Kopplung zwischen verschiedenen Netzen reduzieren. Dies ist auch intuitiv, denn je weniger der Leiter freiliegt, desto geringer ist die Chance, dass das Rauschen sich mit anderen Leitern koppelt.

Abbildung 5 - 3D-Ansicht von eng gekoppelten Signal- und Rückführungsebenen mit Altium Designer^®

Ein weiteres gängiges Verfahren zur Reduzierung von Übersprechen, das insbesondere bei ICs, Steckverbindern und PCB-Leiterbahnen effektiv angewendet wird, besteht darin, mehrere Leiter für den Rückweg verschiedener Signale bereitzustellen.

Dies bedeutet beispielsweise, bei der Verwendung von Flachbandkabeln oder anderen Steckverbindern mehrere Rückwege zu nutzen, anstatt einen einzigen Rückleiter für mehrere Signalleitungen zu verwenden.

Simulationsstrategien mit Altium Designer^®

Anstatt sich auf gebildete Vermutungen über das Übersprechen in unserem Schaltungsdesign zu verlassen, ist es wichtig, fortschrittliche Werkzeuge für präzise Berechnungen zu verwenden.

Die in Altium Designer^® integrierte Funktion zur Signalintegrität ist ein leistungsstarkes Werkzeug zu diesem Zweck. Diese Funktion ermöglicht es uns, Übersprechen über PCB-Leiterbahnen zu simulieren und zu analysieren, was genaue Vorhersagen und ein tieferes Verständnis der Übersprechpegel ermöglicht. Durch die Verwendung dieses Werkzeugs können wir unser Design mit größerer Präzision verfeinern und optimieren.

Abbildung 6 - Beispiel einer Übersprechsimulation mit Altium Designer^®

Das Signal Integrity-Tool bietet detaillierte Simulationen, die uns helfen, verschiedene Design-Abwägungen zu bewerten. Das Verständnis dieser Abwägungen ist entscheidend, um Interferenzen zu minimieren und optimale Leistung zu erreichen. Die Erkenntnisse, die durch dieses Tool gewonnen werden, sind weitaus zuverlässiger als jene, die allein durch Raten erlangt werden.

Abbildung 7 - Beispiel für die Bewertung von Übersprechen mit dem Signal Integrity-Tool in Altium Designer

Die Nutzung dieses fortschrittlichen Tools hilft uns, informierte Entscheidungen zu treffen, indem Leistungsanforderungen mit Layout-Beschränkungen abgewogen werden. Dieser Ansatz verbessert sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Funktionalität unserer Schaltung, indem die Signalintegrität und die EMI-Leistung verbessert und gleichzeitig die Gesamteffizienz des Designs erhöht wird.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir zur effektiven Reduzierung von Signalübersprechen und zur Verbesserung der EMI-Leistung unserer PC-Boards mehrere Strategien zur Verfügung haben. Die Nutzung des in Altium Designer eingebetteten Signal Integrity-Tools ist unverzichtbar, um Übersprechen in unseren PCB-Layouts genau vorherzusagen und zu mindern. Dieses Tool ermächtigt uns, datengestützte Entscheidungen zu treffen und sicherzustellen, dass unsere Designs die erforderlichen Spezifikationen erfüllen und unter verschiedenen Bedingungen zuverlässig funktionieren.

Wenn Sie irgendwelche der vorherigen Artikel in der umfassenden Serie "Mastering EMI Control in PCB Design" verpasst haben, empfehlen wir Ihnen dringend, die Altium-Seiten zu besuchen, um alle aufschlussreichen Inhalte nachzuholen.

Zusätzlich sollten Sie sicherstellen, dass Sie Altium auf ihren verschiedenen sozialen Medien folgen, um auf dem Laufenden zu bleiben mit den neuesten Nachrichten, Artikeln und Updates im Zusammenhang mit PCB-Design.

Wenn Sie nach Möglichkeiten suchen, Ihre PCB-Designprojekte zu verbessern und zu erweitern, und wenn Sie vollständig von fortschrittlichen Werkzeugen profitieren möchten, die den Designprozess erheblich vereinfachen und straffen können, empfehlen wir Ihnen dringend, eine kostenlose Testversion von Altium Designer^® und Altium 365^™ zu starten.

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