EMI- und EMC-Konformität 101 für PCB-Designer

EMI und EMC sind zwei Bereiche, in denen PCB-Designer eine wichtige Rolle spielen. Die Aufgabe des PCB-Designers besteht darin, sicherzustellen, dass ein Design so angelegt ist, dass die Geräuschentwicklung unter den regulatorischen Grenzwerten liegt. Viele Systeme, die ursprünglich so konzipiert wurden, dass sie perfekt funktionieren, werden aufgrund bestimmter Praktiken im PCB-Layout die regulatorischen Standards nicht erfüllen. Dann wird es zur Aufgabe des PCB-Designers, ein PCB-Layout so zu modifizieren, dass es die regulatorischen Standards erfüllt.

Um wiederholte Runden von EMC-Konformitätstests, Neugestaltungen und Prototypen-Drehungen zu vermeiden, gibt es einige einfache Schritte, die Designer unternehmen können, um das Auftreten von übermäßigem EMI im PCB-Layout zu reduzieren. Einige dieser Faktoren treten auf der Schaltungsebene auf und sollten in der Front-End-Engineering- und Schematic-Capture-Phase adressiert werden. Jedoch kann selbst ein perfektes Schaltungsentwurf EMC-Tests nicht bestehen, wenn das PCB-Layout nicht korrekt entwickelt wurde. Dieser Leitfaden konzentriert sich auf die Faktoren in einem PCB-Layout, die zu EMC-Konformitätsfehlern führen können.

Was ist EMC-Konformität?

Jedes Design, das für den Markt in hoher Stückzahl vorgesehen ist, muss während des Betriebs eine geringe Geräuschemission aufweisen. Emissionen können vom Gerät weggeleitet (durch Kabel) oder vom Gerät abgestrahlt werden. Es gibt Grenzwerte für beide Arten von Emissionen, die von Regulierungsbehörden sowie Industrienormengruppen festgelegt werden. Die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) konzentriert sich auch auf die elektrostatische Entladung (ESD) und die Fähigkeit elektronischer Geräte, Transienten zu widerstehen.

Die untenstehende Tabelle skizziert grob, was unter weltweiten EMV-Vorschriften und Industrie-EMV-Standards getestet wird. Diese Liste soll keine spezifischen Vorschriften referenzieren, sondern nur die breiten Bereiche und Arten von Tests, die für ein neues Produkt durchgeführt werden.

Nicht alle Geräte benötigen alle diese Tests. Zum Beispiel würde ein Gerät, das nur mit Batteriestrom betrieben wird, den Test für Spannungseinbrüche und -unterbrechungen nicht bestehen müssen, daher besteht keine Notwendigkeit, die Platine nach diesen Betriebsanforderungen zu entwerfen.

Das Bestehen dieser Tests ist eine regulatorische Angelegenheit, und es gibt Unternehmen, die sich darauf spezialisiert haben, Elektronik auf die Einhaltung regulatorischer Anforderungen zu testen. Diese Tests sind nicht billig; in den USA kann eine einzige Testrunde in der Größenordnung von 10.000 $ kosten. Unternehmen können es sich nicht leisten, wiederholt Geld für Tests auszugeben, daher müssen sie lernen, potenzielle Fehler zu erkennen, bevor sie ein Design zum Testen schicken.

Häufigste Gründe für EMC-Versagen im PCB-Design

Das Versagen der EMC in einem PCB-Layout lässt sich oft auf eine kleine Anzahl von Gründen zurückführen, und es ist die Aufgabe des Testingenieurs, die Ursache des Versagens zu ermitteln. Einige dieser Probleme können leicht gelöst werden, indem das Layout, das Routing und/oder der PCB-Stack-up geändert werden.

• Unzureichende koplanare Masse und/oder keine Masseebene
• Verwendung mehrerer Massen zur Isolierung zwischen Signalen, wenn dies nicht notwendig ist
• Empfang oder Aussendung von Strahlung von Kabeln und Steckverbindern
• Strahlung von Routing ohne eine konsistente Massebezug
• Strahlung von schnell schaltenden Schaltkreisen, bei denen die Masse entfernt wurde
• Schaltgeräusche von einem digitalen PDN, das schnelle Prozessoren unterstützt
• Strahlung von einem digitalen PDN, das eine hohe Bandbreite erfordert, bei der Ferrite verwendet werden
• In einigen Fällen fehlt der Platinen-Ebene-Schutz für bestimmte Schaltkreise
• Emission oder Empfang von Strahlung von großen Bereichen schwebenden Metalls
• Unvollständiger Rückstrompfad, der oft bei hohen Frequenzen zu Strahlung führt
• Versäumnis, ESD-Ströme von ungeschützten Komponenten wegzuleiten
• Hohe Impedanz-Rückleitpfade zwischen Abschirmung, Gehäuse und/oder Erde
• Geräusche in Rückleitpfaden, die zu AC-Haupteingängen kommen und einen PFC (Leistungsfaktorkorrektur)-Schaltkreis

erfordernDie obige Liste ist nicht erschöpfend, deckt aber viele der häufigen Fälle in Strom- und Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ab, sowie einige Fälle, die Kabel und Gehäuse betreffen. Viele EMC-Ausfälle, die durch übermäßige EMI verursacht werden, sind auf einige Varianten der oben aufgeführten Situationen zurückzuführen.

Wenn Ihre Rolle die eines Testingenieurs ist, insbesondere jemand, der an der Vorkonformitätsprüfung arbeitet, besteht Ihre Aufgabe darin, alle möglichen Ursachen für übermäßige EMI zu finden und zu beseitigen, die zu einem Scheitern der EMC-Prüfung führen könnten. Es ist sehr wichtig, diese potenziellen Ausfallmechanismen früher statt später anzugehen; daher die Notwendigkeit einer gewissen Ebene der Vorkonformitätsprüfung. Ein Scheitern bei der EMC-Prüfung verlangt fast immer nach einer gewissen Neugestaltung des Systems, was verlorene Zeit und Geld für Ihr Unternehmen bedeutet.

In der obigen Liste habe ich festgestellt, dass Probleme mit unzureichender Erdung oder der Verwendung von mehreren nicht verbundenen Erdungen die häufigsten Gründe für das Scheitern der EMC-Prüfung sind. Nehmen Sie zum Beispiel, was in einer dichten zweilagigen PCB passiert. Wenn zweilagige PCBs eine dichte Komponentenplatzierung und -verdrahtung haben, werden viele Signale eine unzureichende Erdung haben und viel Strahlung erzeugen. Dies ist einer der Hauptgründe für den Wechsel zu einer vierlagigen PCB.

Arduino-PCBs sind großartige Beispiele für Layouts, die sich der Grenze der Komponentendichte nähern. 

Aufgrund des potenziell hohen Strahlungsniveaus in diesem PCB-Layout wäre die Verwendung eines Vier-Lagen-PCB-Stack-ups eine einfache Möglichkeit, sicherzustellen, dass das Design die EMC-Tests ohne weitere größere Designänderungen besteht. Oftmals beginnen EMI-Probleme im Stack-up und werden zu systemweiten Problemen, sodass einfache Änderungen wie das Hinzufügen von Planlagen eine schnelle Möglichkeit sein könnten, Ihr Design durch die EMC-Tests zu bringen.

Design für EMC-Konformität sicherstellen

Ein PCB so zu entwerfen, dass es EMC-konform ist, erfordert ein wenig Umdenken. Insbesondere müssen Sie die Übereinstimmung zwischen „Rauschen“ im PCB-Layout, einem „Strahler“, wie in den EMC-Standards definiert, und jedem Bereich, in dem Rauschen über ein Kabel aus dem System gekoppelt werden könnte, erkennen. Eine frühzeitige Erkennung dessen wird Ihnen helfen, potenzielle EMI/EMC-Fehler zu erkennen, bevor Sie ein Design zum Testen senden.

Layout und Routing

Layout und Routing können die Rauscheigenschaften eines Schaltkreises beeinflussen, selbst wenn ein Schaltkreis optimal entworfen wurde, um Rauschen zu reduzieren. Dies geschieht durch parasitäre Kopplungen zwischen Rauschquellen und Schaltkreisen oder zwischen Schaltkreisen und dem freien Raum. Das Problem mit Parasiten umfasst mehrere Aspekte, die schwer in einem einzigen Artikel zusammenzufassen sind. Auf hoher Ebene gibt es zwei Ansätze für Layout und Routing, die Parasiten adressieren:

• Kapazität - Eine engere Kopplung an die Masse ist der einfachste Weg, um kapazitive Kopplungen zwischen Schaltkreisen zu unterdrücken.
• Induktivität - Ein straffes Layout mit kürzeren Wegen zwischen den Komponenten wird Schleifeninduktivitäten reduzieren, die Strahlung ermöglichen

Beispielsweise reduziert dies in Spannungsreglern die Rauschkopplung am Ausgang des Schaltkreises und in den freien Raum. Ein Beispiel, das das Konzept des straffen Routings mit Masse auf L2 (einschließlich unter der Induktivität) veranschaulicht, wird unten gezeigt.

Wenn festgestellt wird, dass Kabeleinführungen/-ausgänge übermäßige geleitete Emissionen aufweisen, selbst wenn die Verlegung und das Layout optimal sind, versuchen Sie, die Ursache zu untersuchen, bevor Sie eine Gleichtaktdrossel oder einen Filterkreis hinzufügen. Das Problem könnte eine Kopplung durch ein schwebendes Erdpotential oder das Gehäuse sein. In einigen Fällen sind Gleichtaktdrosseln jedoch einfache Komponenten, die dazu beitragen können, die Einhaltung der Vorschriften für geleitete Emissionen sicherzustellen, und dies ist eine einfache Lösung, wenn das Rauschproblem die Funktionalität nicht beeinträchtigt.

Häufige EMC-Probleme beginnen beim Stackup

Einige der häufigsten Probleme mit abgestrahlten Emissionen entstehen aufgrund schlechter Stackups. Dies könnte daran liegen, dass der Stackup das Rauschen in Komponenten nicht unterdrückt oder schlechte Routing-Praktiken verursacht, die ebenfalls zu übermäßigen abgestrahlten Emissionen führen. Auch Fehler bei geleiteten Emissionen können aus schlechten Stackups resultieren, was hauptsächlich mit der systemweiten Erdung zusammenhängt, die übermäßiges Gleichtakt-Rauschen erzeugt.

Ein Beispiel für eine Stackup-Designstrategie, die dazu beiträgt, niedriges Rauschen zu gewährleisten, die Impedanz für Hochgeschwindigkeits-/RF-Signale aufrechtzuerhalten und induktive/kapazitive Kopplungen zu reduzieren, wird unten gezeigt. Innerhalb eines Stackups ist eine der einfachsten Methoden zur Lösung bestimmter EMI-Probleme, den Vorteil der Erdung zu nutzen. Die Verwendung von Erde zwischen Signallagen bietet Abschirmung zwischen Signalketten und reduziert gleichzeitig ungewollte abgestrahlte Emissionen von Signalleitungen. Es erleichtert auch die Aufgabe, Rückwege bei Signalübergängen aufrechtzuerhalten.

• Erfahren Sie mehr über Stackup-Designs für geringe Geräusche

Diese Strategie, das System-Erdpotenzial aufrechtzuerhalten, löst viele der einfachen EMI-Probleme, die mit der Signalübertragung verbunden sind. Obwohl das Wort „einfach“ „unwahrscheinlich, einen EMC-Konformitätsfehler zu verursachen“ bedeuten könnte, ist dies nicht der Fall; teure Testfehler können auf etwas so Einfaches wie die Schichtanordnung im PCB-Stackup zurückgeführt werden.

Ein modularer Ansatz für drahtlose

Es ist möglich, mit einem Produkt auf den Markt zu gehen, das vollständig modular ist, aber nur, wenn die Module, die Sie zum Bau des Produkts verwenden, individuell die EMC-Tests bestanden haben. Die FCC bietet eine modulare Zertifizierung an, die es erlaubt, vorzertifizierte drahtlose Module in einem Produkt zu verwenden. Dies eliminiert den RF-Testteil des Zertifizierungsprozesses Ihres Geräts, da die Module bereits zertifiziert wurden, um nur in ihren vorgesehenen Funkbändern zu arbeiten.

Diese Zertifizierung eliminiert nicht die Anforderung, andere Emissionstests für Ihr Produkt durchführen zu lassen. Sie reduziert jedoch das Risiko von Fehlern und hilft, die Markteinführungszeit zu beschleunigen. Es gibt andere Gründe, diese Module zu vermeiden, wie das Erreichen spezifischer Formfaktorziele und die Möglichkeit, das Design nicht klonen oder anpassen zu können.

Sollte Abschirmung verwendet werden?

Meiner Meinung nach sollte, wenn man die Dinge im PCB-Layout korrekt macht, zusätzliche Abschirmung auf Platinen- oder Gehäuseebene nicht notwendig sein, um einfach EMC-Tests zu bestehen. Der einfache Grund dafür ist, dass es die Komponenten- und Montagekosten erhöht. Für einen Prototypen sind diese Kosten wahrscheinlich vernachlässigbar, aber bei hohen Stückzahlen summieren sich diese Kosten schnell. Daher sollte aus Gründen der Gerätesimplizität und der Kosten Abschirmung vermieden werden, wenn möglich, zugunsten der Perfektionierung des Designs und des Layouts.

Es gibt natürlich Ausnahmen, und in einigen Fällen, in denen ein Gerät schnell eingesetzt werden muss, kann das Hinzufügen von Abschirmung zu einem bestehenden Design der kostengünstigste und risikoärmste Weg nach vorne sein. Manchmal hat das perfekte Layout einfach laute Komponenten (z.B. Motoren), und selbst mit perfektem Schaltkreis- und Platinendesign kommt zu viel Lärm vom Gerät. Einige der schnellsten Wege, um einen Prototypen über die Ziellinie der EMC-Tests zu bringen, umfassen:

• Komponenten-Ebene Abschirmung, z.B. SMD oder Durchsteck-Abschirmgehäuse
• Platinen-Ebene Abschirmung, z.B. Kantenbeschichtung
• Gehäusemontierte Ferritplatten
• Absorbierende Elastomere, Verbindungen und Dichtungen
• Metallische Dichtungen für große Gehäuse und Schränke
• Metallisierte Gehäuse
• Metallische Bänder, die Fügeflächen abdichten
• Verwendung von absorbierenden Konformbeschichtungen

Abschirmung mag eine verlockende Option sein, um problematische EMI-Probleme zu beheben, aber wenn Sie den oben aufgeführten Designrichtlinien folgen, stellen Sie möglicherweise fest, dass zusätzliche Abschirmkomponenten und -materialien nicht benötigt werden.

• Erfahren Sie mehr über EMI-Abschirmtechniken für PCBs

EMV-Vorschriften

Kein Leitfaden zur EMI- und EMV-Konformität wäre vollständig ohne eine kurze Diskussion über EMV-Vorschriften. Die USA, das Vereinigte Königreich und Europa haben ihre eigenen Vorschriften, die die EMI-Erzeugung und EMV-Anforderungen in elektronischen Geräten regeln. Diese Vorschriften ähneln sich hinsichtlich ihrer Geräuschbegrenzungen, und bestimmte Produkte, die auf diesen verschiedenen Märkten verkauft werden, müssen den geltenden EMV-Vorschriften entsprechen. Die Liste der EMV-Konformitätsanforderungen kann ziemlich lang sein, daher werde ich diesen Inhalt für einen anderen Artikel aufbewahren.

• Erfahren Sie mehr über Industriestandards zu EMI- und EMC-Anforderungen

Ich bin der Meinung, dass Designer sich der regulatorischen Standards und Designpraktiken bewusst sein sollten, die die EMC-Konformität vorantreiben, aus mehreren Gründen. Erstens, wenn Sie ein Dienstleistungsbüro betreiben, macht Sie das für Ihre Kunden viel wertvoller. Sie werden über die Fähigkeiten verfügen, die notwendig sind, um ihnen zu helfen, die regulatorischen Hürden zu überwinden, die auf dem Weg zur Markteinführung vorhanden sind. Der andere Grund ist, dass es Ihnen ermöglicht, tiefer mit EMC-Testingenieuren zu interagieren und auf einer gemeinsamen Ebene mit ihnen zu sprechen.

Nun, da Sie über die gängigen Herausforderungen bei der EMC-Konformität Bescheid wissen, stellen Sie sicher, dass Sie den kompletten Satz an PCB-Designwerkzeugen in Altium Designer verwenden, um Ihre PCB zu entwerfen. Altium Designer ist die führende CAD-Plattform der Branche, die auch Integration mit modernsten Anwendungen für SI, PI und EMI/EMC-Simulationen bietet. Wenn Sie mit Ihrem Design fertig sind und die Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, macht die Altium 365-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte einfach.

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