Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design: Wie Signale in einer Leiterplatte übertragen werden

Die Gestaltung von Leiterplatten (PCBs) für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erfordert ein solides Verständnis der Signalübertragung aus der Perspektive elektromagnetischer Felder und Ströme. Diese Konzepte sind wichtig, da sie uns helfen, PCBs mit niedrigen elektromagnetischen Feldemissionen und geringer Empfindlichkeit gegenüber externen Emissionen oder Störungen zu entwerfen.

In diesem ersten Artikel der Mastering EMI Control in PCB Design -Serie werden wir diese Konzepte näher betrachten und sehen, wie wir sie bei der Gestaltung von Leiterplatten anwenden können.

Konzept der Signalübertragung in einer Übertragungsleitung

Wenn man darüber nachdenkt, wie sich ein Signal in einer PCB ausbreitet, ist es wichtig, von der Analogie des Wassers, das durch Rohre fließt, zu einem Denken in Bezug auf elektromagnetische Felder und Übertragungsleitungen überzugehen. Eine Übertragungsleitung ist eine Struktur, die dafür ausgelegt ist, Energie in Form von enthaltenen elektromagnetischen Feldern von einem Punkt zum anderen zu übertragen. Im Kontext von Leiterplatten wird die Übertragungsleitung durch mindestens zwei Leiter gebildet. Beide Leiter sind gleichermaßen wichtig, um die elektromagnetischen Felder zu enthalten und sie von einem Punkt zum anderen im Schaltkreis zu leiten. Wenn einer der beiden Leiter fehlt, bleiben die elektromagnetischen Felder, die die Signale bilden, uncontained, was potenziell zu EMV-Testfehlern aufgrund der Ausbreitung dieser Felder führen kann.

Ein sehr wichtiges Konzept, das sich daraus ergibt, ist, dass das elektromagnetische Signal nicht im Leiter enthalten ist, sondern im Raum zwischen zwei Leitern, im Dielektrikum und dessen Umgebung. Unser Ziel in Bezug auf EMV ist es, die elektromagnetischen Felder zwischen den beiden Leitern zu maximieren und die elektromagnetischen Felder in seiner Umgebung zu reduzieren.

Abbildung 1 - Darstellung der digitalen Signalübertragung in einer PCB

In PCBs sind die beiden Leiter, die für die Signalübertragung verwendet werden, der Signalleiter und der Rück- und Referenzpotentialleiter. Am einfachsten kann man sich das in einer zweilagigen Platine vorstellen, bei der die oberste Schicht, die mit der Signalquelle verbunden ist, verwendet wird, um die Signalbahnen zu routen, und die unterste Schicht eine feste Kupferschicht ist, die sowohl mit der Signalquelle als auch mit dem Signalpotentialreferenz verbunden ist (siehe Abbildung 1). Was wir als Signal bezeichnen, ist das elektromagnetische Feld, das zwischen diesen beiden Leitern enthalten ist. Das bedeutet, dass das Signal nicht in einem einzelnen Leiter enthalten ist, sondern die elektromagnetische Energie ist, die im Dielektrikum zwischen diesen beiden Leitern enthalten ist. Das bedeutet auch, dass die Eigenschaften des Dielektrikums die Signalübertragung beeinflussen, insbesondere den Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der sich das Signal (oder EM-Welle) ausbreitet, was die Lichtgeschwindigkeit im Dielektrikum ist. Es wird Punkte zwischen den beiden Leitern geben, an denen das Signal vorhanden ist, und Punkte, an denen das Signal noch nicht angekommen ist. In einem digitalen Signal wird der Punkt zwischen diesen beiden Zonen, an dem wir das vollständige Signal haben und an dem wir noch kein Signal haben, als Signalrand oder Signalwellenfront bezeichnet. Dies ist der Übergangspunkt von Niedrigpegel-Logik zu Hochpegel-Logik im digitalen Signal.

In Bezug auf EMV ist dieser Punkt äußerst wichtig, da hier die elektrischen und magnetischen Felder zwischen den Leitern von niedrig auf hoch wechseln. Je schneller dieser Zustand der Energie sich ändert, das heißt je schneller das Signal von niedrigem zu hohem Logikpegel übergeht, desto mehr Energiewechsel wird in kurzer Zeit komprimiert. Während sich das Signal von seiner Quelle zu seinem Ziel in der Übertragungsleitung ausbreitet, führt die Signalwellenfront oder der Signalrand die Ausbreitung des Signals an.

Vorwärtsstrom, Rückstrom und Verschiebungsstrom

Ein weiteres wichtiges Konzept ist, dass wir, wenn wir dem Signalrand folgen, während es sich ausbreitet, feststellen würden, dass da der führende Rand eine Änderung des elektromagnetischen Feldes ist, dies einen Verschiebungsstrom im Dielektrikum zwischen den beiden Leitern erzeugen würde. Dieses Phänomen wird durch die vier Maxwell-Gleichungen erklärt, die von Oliver Heaviside formuliert wurden, insbesondere durch das Ampère-Maxwell-Gesetz. Am einfachsten kann man sich das vorstellen, indem man darüber nachdenkt, wie der Strom durch einen Kondensator fließt, wenn eine Wechselstromquelle angelegt wird (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 - Kondensator (a) ohne angelegte E-Felder (b) positives E-Feld angelegt (c) negatives E-Feld angelegt

In Wirklichkeit gibt es keinen Leitungsstrom zwischen den Platten des Kondensators und seinem Dielektrikum, aber die im Dielektrikum enthaltenen gebundenen Ladungen polarisieren (verschieben) einfach entsprechend den angelegten Feldern der Kondensatorplatten. Dies wird so erscheinen, als würde ein Leitungsstrom durch die Kondensatorplatte fließen. Das Konzept des Verschiebungsstroms ist wichtig, um zu verstehen, wie es möglich ist, dass ein Strom während der Signalübertragung entsteht, insbesondere bevor er die Last erreicht. Wie in den klassischen Schaltungstheorie-Kursen gelehrt wird, fließt der Strom immer in Schleifen. Wie ist es also möglich, dass wir einen Strom haben, selbst bevor das Signal die Last erreicht, und damit bevor es einen kontinuierlichen Leitungsstrom etabliert, der von der Quelle zur Last und dann zurück zur Quelle fließt, um die Stromschleife zu bilden? Das ist möglich aufgrund des Verschiebungsstroms, der es ermöglicht, dass der Strom weiterhin in Schleifen fließt, während sich das Signal ausbreitet. Ohne den Verschiebungsstrom, der nur den Leitungsstrom hat, hätten wir keine Signalübertragung, da die Stromschleife, die nur durch den Leitungsstrom gebildet wird, die Schleife nicht schließen könnte, bevor sie die Last erreicht. Das würde bedeuten, dass ein Leitungsstrom durch das Dielektrikum fließen müsste, was definitionsgemäß nicht möglich ist. Aber mit diesem scheinbaren Strom, dem Verschiebungsstrom, wird die Schleife augenblicklich geschlossen, während sich das Signal ausbreitet.

Die Kombination aus Leitungsstrom und Verschiebungsstrom führt zu einer Stromschleife, die dem Signalrand folgt. Diese Stromschleife, wie in Abbildung 3 gezeigt, kann in drei Teile unterteilt werden:

Abbildung 3 - Stromschleife und Verschiebungsstrom

• Der Vorwärtsstrom, der in Richtung des Signals zur Last auf dem Leiter in der obersten Schicht fließt.
• Der Rückstrom, der in die entgegengesetzte Richtung des Signals zurück zur Quelle auf dem Leiter der unteren Seite fließt.
• Der Verschiebungsstrom, der die anderen beiden Teile des Stroms überbrückt, indem er durch das Dielektrikum zwischen den Leitern „fließt“ und dem Signalrand folgt.

Energie des Signals zur Steuerung von EMV enthalten

Die Beherrschung der elektromagnetischen Felder zwischen Leitern und die Kontrolle des Stromflussweges sind äußerst wichtig für das Design von PCBs, die nicht nur übertreffen, sondern auch in elektromagnetischer Verträglichkeit und Signalintegrität hervorragend abschneiden (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4 - Beispiel eines fortschrittlichen PCB-Designs mit Altium Designer® 3D-Viewer

Dieser Ansatz ermöglicht es uns, Emissionen an ihrer Quelle zu steuern und zu vermeiden, dass PCB-Strukturen entworfen werden, die die Kopplung externer Störungen zulassen.

Im nächsten Artikel der Serie werden wir erörtern, wie die Bauteilplatzierung verbessert werden kann, um EMV effektiv zu reduzieren. Um sicherzustellen, dass Sie es nicht verpassen, bleiben Sie dran, indem Sie unseren Seiten und sozialen Medien folgen.

Fazit

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