PCB-Design für Elektromagnetische Verträglichkeit

Was wäre, wenn William Shakespeare als Elektroingenieur und nicht als Dichter und Dramatiker gearbeitet hätte? Wenn es Mitte bis Ende des 16. Jahrhunderts Elektronik gegeben hätte, hätte der Barde möglicherweise die Auswirkungen elektromagnetischer Interferenzen (EMI) auf Schaltkreise und die Notwendigkeit elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) untersucht. Immerhin schrieb er in „Der Sturm“ über seine Faszination für Geräusche:

„Habt keine Angst; die Insel ist voller Geräusche,
Klänge und süße Laute, die Freude bereiten und nicht wehtun.
Manchmal summen tausend schwingende Instrumente um meine Ohren;
und manchmal Stimmen…“

Wie bei vielen Versuchen, EMI-Probleme von Signalen zu lösen, kann auch Caliban – eine Figur in dem Stück – die Quelle des Rauschens nicht beschreiben.

Elektromagnetische Interferenzen treten auf, wenn sich eine Komponente oder ein System verschlechtert, nachdem die Kopplung einer zusätzlichen Spannung eine elektromagnetische Störung erzeugt. Eine Verschlechterung führt dazu, dass die Komponente oder das System zu einer EMI-Quelle wird, die Störungen auf andere anfällige Systeme, Subsysteme, Schaltungen oder die Quellkomponente überträgt.

Vielleicht wünschen Sie sich "Klänge und süße Laute, die Freude bereiten und nicht wehtun". Stattdessen denke ich bei EMI an "tausend schwingende Instrumente " und an die Geister, die auf Prosperos Rufen hin erscheinen. Genau wie Sebastian und Antonio, die in "Der Sturm" eine Intrige planen, arbeiten mehrere lärmende Schurken daran, die Leistung Ihrer Schaltung zu ruinieren.

Wie entsteht EMI?

EMI tritt innerhalb der Schaltung auf und manifestiert sich immer an Ausgängen, Eingängen, der Stromversorgung und Masse. Das Rauschen bewegt sich durch Kopplungspfade, die durch induktive, kapazitive oder direkt geleitete Kopplung entstehen. Infolgedessen bilden sich Stromschleifen zwischen Leiterbahnen und der Massefläche.

Um das Ganze noch interessanter zu machen, führt das in längere E/A-Leiterbahnen eingekoppelte Grundrauschen zu einer Moden-Abstrahlung. Leiterbahnen und Kabel, die Hochgeschwindigkeits-Takt- und Datensignale übertragen, genießen ihr geheimes Doppelleben als große, effiziente Antennen, die EMI aussenden.

Das Routen von Kanalleitungen über eine segmentierte Massefläche erhöht ebenfalls aktiv die Integrität des EMI-Signals. Wenn sich die Leitungen über den Öffnungen zwischen den Segmenten kreuzen, verbindet sich jede Lücke mit ihren Leiterbahn- und Kabelbrüdern und fungiert als HF-Antenne. Ein Netzteil speist Strom und HF-Energie in getaktete Schaltungen ein, die wiederum synchron schalten und eine große Rauschspitze erzeugen können. Der reflektierte Hochfrequenzstrom, der innerhalb des Schaltreglers erzeugt wird, kann den Schaltkreis durch die durchgehenden Versorgungsleitungen verlassen oder über andere Pfade auskoppeln.

Es ist wichtig, dass Sie eine Vorstellung davon haben, wie stark sich Ihre Komponenten gegenseitig beeinflussen.
 

Praktische Wege zur Reduzierung von EMI

Die Reduzierung von EMI muss keine große Sache sein und Sie müssen sicherlich kein Dramatiker sein, um dies zu tun. Der Sturm hat fünf Akte, und es gibt drei Möglichkeiten, um Ihre EMI zu reduzieren. Sie wählen, was Ihnen weniger kompliziert erscheint:

1. Elektromagnetische Verträglichkeit herstellen

Verwenden Sie EMV, um die Fähigkeit einer Schaltung zu ermitteln, EMI zu eliminieren oder wesentlich zu verringern und Rauschauswirkungen auf andere Schaltungen zu reduzieren. Ein großer Teil des Aufwands beginnt mit der Reduzierung der Signalstromschleifenbereiche und der Bereitstellung von Pfaden mit niedriger Impedanz, die den Signalstrom zu seiner Quelle zurückführen. EMV beschreibt auch, wie die Schaltung ihre Immunität gegen EMI erhöht und definiert die Fähigkeit einer Leiterplatte, aller Gehäuse, angeschlossenen Kabel und der Stromversorgung, sich vor EMI zu schützen.

2. Mit guten Masseebenen beginnen

Die Auswahl eines Erdungssystems für die Stromversorgung hat einen direkten Einfluss auf ein EMV-Leiterplatten-Design. Da unterteilte Masseebenen die Möglichkeit von Stromschleifen eröffnen, sollten Sie mehrlagige Leiterplatten mit festen Masseebenen verwenden. Darüber hinaus können Sie auch Entkopplungskondensatoren aus Aluminium oder Tantal am Rand der Schaltung platzieren, um das Rauschen zu reduzieren, das an der Stromversorgungs- und Masse-Referenzebene eingekoppelt wird.

Hochfrequenzschaltungen erfordern besondere Aufmerksamkeit bei der Erdung. Schnelle Anstiegsraten können die Oberwellen in digitalen Signalen erhöhen und EMI erzeugen. Durch die Verwendung größerer, solider Masseebenen entstehen Bereiche, die eine sehr niedrige Impedanz aufweisen und die EMI-Unterdrückung maximieren. Sie können auch die Verwendung einer Mehrpunkt-Erdung in Betracht ziehen, um die Erdschleifenströme und die Erdimpedanz der Ebenen zu reduzieren.

Entkopplungskondensatoren, die zwischen der Stromversorgungs- und der Masseebene angeschlossen werden, reduzieren elektromagnetische Störungen. Keramikkondensatoren mit 0,01 µF oder 0,1 µF versorgen einen IC, der über einen Pfad mit niedriger Induktivität und die IC-Leistungsstifte umschaltet, mit zusätzlichem Strom. Zusätzlich erzeugen Entkopplungskondensatoren einen Pfad mit niedriger Induktivität von den IC-Erdungsreferenzstiften zur Erdungsreferenzebene.

3. Signale isolieren

Bei mehrlagigen Leiterplatten können Sie die Signallagen zwischen der Gleichstrom- und der Masse-Referenzebene platzieren. Die Schaffung von Abstand zwischen Hochgeschwindigkeitssignallagen und Gleichspannungslagen sowie zwischen den Hochgeschwindigkeitssignalen und der oberen und unteren Lage führt dazu, dass Leiterbahnen nur als Leiterbahnen existieren. Von dort aus sollten Sie die Verwendung mehrerer Stromverteilungsbusse in Betracht ziehen, um empfindliche Schaltungen voneinander zu isolieren.

Eine gute EMV wird durch die intelligente Auswahl und Platzierung von Schaltreglern, Mikrocontrollern, Oszillatoren und digitalen ICs erreicht. Betrachten Sie zunächst die gesamte Schaltung als funktionale Untereinheiten oder Schaltungspartitionen. Die auf elektromagnetische Verträglichkeit ausgerichtete Partitionierung trennt die Komponenten nach ihrem Potenzial als EMI-Quellen, Opfer, Pfade und passive Schaltungen. Integrieren Sie nach der Aufteilung der Komponenten in Funktionsblöcke abgeschirmte EMI-Filter und Entkopplungskondensatoren für eine zusätzliche EMI-Unterdrückung.

Wenn Sie darauf achten, dass die EMI reduziert wird, können Sie ganz einfach eine elektromagnetische Verträglichkeit erreichen.

Bewährte Praktiken 

Das Ignorieren bewährter Verfahren beim Leiterbahnlayout führt zu Kopplungspfaden, die das Rauschen leicht von der Quelle zum Opfer transportieren.

Durch folgende bewährte Praktiken können Sie elektromagnetische Verträglichkeit erreichen:

• Routing von Taktspuren in der Schicht zwischen der Masse- und der Quellspannungsebene.
• Verwendung breiterer Leiterbahnen für Taktsignale, um die Hochfrequenzdämpfung und die Möglichkeit der kapazitiven Kopplung zwischen den Leiterbahnen zu verringern.
• Vermeiden von Leiterbahnkapazitäten durch Eliminierung von rechten Winkeln oder Kreuzen.
• Eliminierung langer, paralleler Taktleitungen, die zum Übersprechen beitragen.
• Sicherstellen, dass ein konsistenter Abstand zwischen den Leiterbahnen besteht und dass der Abstand mindestens einer Leiterbahnbreite entspricht.

Leider können alle Systeme und Schaltungen EMI erzeugen und weisen eine unterschiedlich hohe EMI-Anfälligkeit auf. Da die Verbraucher immer mehr intelligente Geräte und Instrumente kaufen, wird die Notwendigkeit, die EMI-Risiken zu analysieren, noch größer. Wird dies nicht beachtet, kann EMI dramatische Ausfälle verursachen.

In „Der Sturm“ fragte sich Caliban, ob Magie den Lärm verursachte. Zwar glauben einige, dass die Kontrolle von EMI Magie erfordert, aber tatsächlich löst das Befolgen guter Praktiken die Interferenzprobleme. Auch die Verwendung der richtigen PCB-Designsoftware kann wie Zauberei wirken – insbesondere wenn sie Ihnen dabei hilft, die Leiterbahnführung zu planen, Komponenten effizient zu verteilen und die Signalintegrität zu überprüfen. 

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