Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design: Wie man PCBs für niedrige EMI entwirft

Willkommen zum vierten Artikel in unserer Serie über Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design. In dieser Ausgabe werden wir fortgeschrittene Aspekte des Managements von elektromagnetischen Interferenzen (EMI) untersuchen, die für ein effektives PCB-Design entscheidend sind.

Beim Entwerfen von gedruckten Schaltungen (PCBs) besteht eine wesentliche Herausforderung darin, sicherzustellen, dass Ihr Design sowohl Strahlungs- als auch Leitungs-Emissionstests bestehen kann. Dies ist entscheidend, um regulatorische Standards zu erfüllen und sicherzustellen, dass Ihr PCB in seiner vorgesehenen Umgebung ordnungsgemäß funktioniert, ohne andere Geräte und Systeme zu stören.

Genauso wichtig ist es, Immunität gegenüber sowohl externen als auch internen Emissionen zu erreichen, was die Zuverlässigkeit und Leistung Ihres Endprodukts gewährleistet.

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

Beim Entwerfen für elektromagnetische Interferenzen (EMI) ist es wichtig zu verstehen, dass Emissionen hauptsächlich durch sich ändernde Ströme in unseren Schaltkreisen verursacht werden, und nicht durch Spannung. Das bedeutet, dass alle Schaltkreise aufgrund der inhärenten Stromänderungen in ihnen unweigerlich ein gewisses Maß an elektromagnetischer Strahlung abgeben werden. Die Hauptaufgabe für Designer besteht darin, das Ausmaß dieser Strahlung zu verwalten und zu kontrollieren.

Um eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) zu erreichen, müssen wir uns darauf konzentrieren, gedruckte Schaltungen zu entwerfen, die diese elektromagnetischen Emissionen effektiv enthalten und minimieren.

Dies beinhaltet die Behandlung von zwei Haupttypen von Emissionen:

• Emissionen von differentiellen Modusströmen;
• Emissionen von gemeinsamen Modusströmen.

Abbildung 2 - Differentielle vs. gemeinsame Modusströme in einem Schaltkreis (Rückweg des gemeinsamen Modusstroms nicht gezeigt). Ref: Dario Fresu

Die einfachste Art, diese Ströme zu verstehen, besteht darin, differentielle Modusströme als in "entgegengesetzten Richtungen" durch verschiedene Pfade fließend zu betrachten, während gemeinsame Modusströme in der gleichen "gemeinsamen" Richtung entlang der Schaltkreispfade fließen.

Wie man Emissionen von differentiellen Modusströmen minimiert

Differentielle Modusströme sind für den normalen Betrieb eines Schaltkreises wesentlich. Diese Ströme fließen zwischen integrierten Schaltkreisen (ICs) und Komponenten und sind Teil des Designs des Schaltkreises auf der PCB.

Sie bewegen sich in Schleifen, die durch das Layout des Schaltkreises definiert sind, und die Größe dieser Schleifen beeinflusst das Niveau der produzierten Emissionen. Je größer die Schleife (d.h., je größer die Fläche), desto höher die Emissionen. Zusätzlich führen höhere Frequenzen zu erhöhten Emissionen.

Um diese Emissionen zu reduzieren, haben wir einige Strategien:Reduzierung des Stromflusses durch die Leiterbahnen

• Verringerung der Frequenz der Ströme
• Minimierung der Fläche der Stromschleifen

Die Reduzierung von Strom und Frequenz (Optionen 1 und 2) ist oft unpraktisch, da sie die Effizienz des Schaltkreises erheblich beeinträchtigen können. Der praktischste Ansatz, den PCB-Designer direkter steuern können, besteht darin, die von diesen Stromschleifen eingeschlossene Fläche zu minimieren.

Abbildung 3 - Beispiel einer Stromschleife in einer PCB mit Altium Designer®

Eine sehr effektive Methode ist die Verwendung einer Rückführungsreferenzebene nahe den Signalleiterbahnen im Schichtenaufbau. Dadurch wird die von dem Hin- und Rückstrom eingeschlossene Fläche sehr klein, was die Emissionen minimiert. Dies, zusammen mit dem Bestreben, die Signalleiterbahnen so kurz wie möglich zu halten, führt zum besten Ergebnis hinsichtlich der Reduzierung von Emissionen aus differentiellen Modusströmen.

Natürlich sind auch die Platzierung der Komponenten, die Reduzierung von Signalübersprechen und das Management anderer Kopplungsmechanismen, die Störgeräusche auf nahegelegene Kabel übertragen können, wichtig für die Reduzierung von Emissionen. Diese Faktoren sind jedoch sekundär im Vergleich zur primären Technik der Minimierung der Fläche von Stromschleifen.

Diese Technik hat einen direkteren und signifikanteren Einfluss auf die Reduzierung von Emissionen, da sie die Ursache der Emissionen von differentiellen Modusströmen direkt angeht.

Wie man Emissionen von Gleichtaktströmen minimiert

Ein weiterer wichtiger Stromtyp, über den sich Entwickler im Klaren sein müssen, sind Gleichtaktströme. Im Gegensatz zu Differenzialmodusströmen, die absichtlich in den Schaltkreis integriert werden, werden Gleichtaktströme nicht explizit in den Schaltplänen berücksichtigt. Diese Ströme sind für den Betrieb des Schaltkreises nicht notwendig und entstehen hauptsächlich durch parasitäre Elemente innerhalb des Designs.

Das Identifizieren und Kontrollieren dieser parasitären Ströme kann ziemlich herausfordernd sein, da ihre Quellen nicht immer offensichtlich sind. Gleichtaktströme werden typischerweise erzeugt, wenn Differenzialmodusströme durch parasitäre Elemente im Schaltkreis fließen.

Abbildung 4 - Lücken in Rückleiterebenen sind oft eine Ursache für Gleichtaktstrahlung (Altium Designer®)

Diese parasitären Elemente finden sich besonders in den Rückleitungsreferenzleitern, die gemeinhin als „Erde“ oder „Signalmasse“ bekannt sind. Das Problem mit Parasiten in den Rückleitungsreferenzleitern entsteht meistens, weil Komponenten und Leiter in der Realität nicht perfekt und weit davon entfernt sind, ideal zu sein.

Beispielsweise haben Kupferleiterbahnen in einem Schaltkreis nicht nur einen Widerstand, sondern weisen auch Induktivität und Kapazität auf. Diese parasitären Eigenschaften werden mit steigenden Signalfrequenzen zunehmend signifikant.

Im Gegensatz zu differentiellen Modusemissionen, die hauptsächlich von der Größe der Stromschleife beeinflusst werden, werden gemeinsame Modusströme hauptsächlich durch die Längen der Leiter und die Rauschfrequenz beeinflusst. Allerdings wird der Einfluss der Leiterlänge jenseits eines bestimmten Punktes weniger bedeutend, den wir hier in diesem Artikel nicht weiter erforschen werden.

Für elektrisch kurze Kabel können Emissionen des gemeinsamen Modusstroms als Dipol- (oder Monopol-) Antennenübertragung modelliert werden, anstatt als Schleifenantennenübertragung. Diese Änderung in der Modellierung beeinflusst, wie Emissionen erzeugt und kontrolliert werden.

Um Emissionen von gemeinsamen Modusströmen an der Quelle effektiv zu reduzieren, sollten wir die folgenden Strategien in Betracht ziehen:

• Die Menge des gemeinsamen Modusstroms reduzieren;
• Die Frequenz des gemeinsamen Modusstroms verringern;
• Die Länge der Leiter, die zu gemeinsamen Modusemissionen beitragen, minimieren.

Eine Schlüsselstrategie besteht darin, sich auf die Reduzierung der Länge von Signalleitungen zu konzentrieren. Obwohl es nicht immer möglich sein mag, alle Leiter aufgrund von Systembeschränkungen zu verkürzen, sollten Designer bestrebt sein, die Leitungslängen wo immer möglich zu minimieren. Diese Bemühung hilft, Emissionen von der Leiterplatte zu mindern, besonders da die Signalfrequenzen weiter steigen.

Die Verwendung einer durchgehenden Kupferfläche als Rück- und Referenzebene ist eine weitere effektive Technik. Diese Methode reduziert die Induktivität, die der Rückstrom durchlaufen muss, und verringert dadurch die gemeinsame Spannungsquelle, die diese Emissionen antreibt.

Indem sie einen niederimpedanten Pfad für Rückströme bietet, hilft eine durchgehende Kupferfläche (ohne Trennungen oder Schnitte) dabei, die Signalintegrität zu erhalten und EMI zu reduzieren.

Wie man Emissionen durch das Verwenden von Stitching-Vias minimiert

Ein weiteres empfohlenes Verfahren zur Reduzierung von gemeinsamen Modusemissionen in Mehrschicht-Stackups mit mehreren Rückreferenzebenen ist die Verwendung von Stitching-Vias zwischen diesen Ebenen. Stitching-Vias verbinden die verschiedenen Rückreferenzschichten und stellen sicher, dass sie auf dem gleichen elektrischen Potential bleiben. Diese Verbindung hilft, die gemeinsamen Modusspannungsquellen zu reduzieren, die Dipol- (oder Monopol-) Antennenmodusemissionen antreiben, was unerwünschtes Rauschen und EMI erheblich verringern kann.

Abbildung 5 - Beispiel für Stitching-Vias in Altium Designer®

Zusätzlich zur Reduzierung von gemeinsamen Modusemissionen sind Stitching-Vias entscheidend für die Bereitstellung eines zuverlässigen Rückstrompfades und Referenzpotentials für Signale, die zwischen den Schichten im Stackup wechseln. Dies verhindert Emissionen zwischen den Ebenen, die sonst nicht nur EMI beeinträchtigen, sondern auch die Signalintegrität und die Gesamtleistung der PCB.

Schlussfolgerungen

Beim Entwurf von gedruckten Schaltungen (PCBs) mit effektiver Kontrolle der elektromagnetischen Interferenz (EMI) im Sinn, ist das richtige Werkzeug unerlässlich. Fortgeschrittene PCB-Designsoftware ermöglicht es Ihnen, verschiedene Designparameter zu verwalten und stellt sicher, dass Ihre Platinen mit außergewöhnlicher Präzision und Effizienz gefertigt werden. Diese Werkzeuge sind entscheidend für die Handhabung komplexer Designanforderungen und bestätigen, dass Ihre EMI-Minderungsstrategien korrekt angewendet werden, was zu zuverlässigeren und leistungsfähigeren PCBs führt.

Altium Designer® sticht als vorbildliches Werkzeug in diesem Bereich hervor und bietet eine nahtlose Integration in Ihren Design-Workflow. Es bietet die Flexibilität und fortgeschrittenen Fähigkeiten, die benötigt werden, um Ihre Expertise und Leidenschaft für PCB-Design voll auszuschöpfen, und macht es einfacher, effektive EMI-Kontrollstrategien zu implementieren.

Um Ihre PCB-Designs weiter zu verfeinern, ist es wichtig, informiert zu bleiben. In unserem nächsten Artikel werden wir Entkopplungsstrategien für Stromverteilungsnetzwerke (PDN) behandeln und Ihnen noch mehr Einblicke geben, um Ihre Designpraktiken zu verbessern.

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