Ursachen und Abhilfen für unkontrolliertes Schwingen auf PCBs

In meinem allerersten Elektrotechnik-Labor haben wir eine Schaltung gebaut, um den Ausgang eines Schalters zu entprellen. Ich erinnere mich daran, wie ich das springende Originalsignal und danach die entprellte Ausgabe auf dem Bildschirm eines Oszilloskops betrachtete. Der Gedanke daran, dass etwas so harmloses in unserem Leben so chaotisch sein kann, bereitete mir ziemliches Unbehagen. Es war gut, dass ich zur damaligen Zeit als Studienanfänger noch nicht wusste, dass dies erst der Beginn meiner Verzweiflung bezüglich Rauschen und Artefakten sein sollte. Schwingen ist einer der Effekte, der besonders frustrierende Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit eines Produkts haben kann.

Was ist Schwingen?

Im Zusammenhang mit PCBs und anderen elektronischen Systemen versteht man unter Schwingen Ströme oder Spannungen, die auf einem Oszilloskop wie die Wellen auf einem Teich aussehen. Diese Oszillationen entstehen als Reaktion auf eine plötzliche Veränderung des Eingangssignals, wie z. B. ein Einschalten oder Umschalten.

Oft verschiebt die Oszillation das Ausgangssignal auf dem hohen und niedrigem Pegel außerhalb des Toleranzbereichs, bis es sich dann allmählich glättet. Die Zeit, die für das Einpendeln der Schwingungen in einen tolerierbaren Fehlerbereich benötigt wird, bezeichnet man als Einschwingzeit.

Aufgrund der charakteristischen Form des Ausgangssignals wird das Schwingen auch manchmal „Welligkeit“ oder auch „Ripple“ genannt. Jedoch bezieht sich die Welligkeit in der Regel insbesondere auf den Ausgang von Schaltnetzteilen, wenn die Wechselstrom-Wellenform nicht ordnungsgemäß unterdrückt wird.

Was verursacht das Schwingen?

Neben den Netzteilen hängt die Quelle für das Schwingen davon ab, ob Ihre Leiterbahnen „lang“ oder kurz sind. Als Faustregel lässt sich sagen, dass Leiterbahnen als „lang“ betrachtet werden, wenn die Laufzeit (zur Last und zurück) ähnlich groß ist wie die Signalanstiegszeit digitaler Schaltungen. Falls Sie mit Striplines oder Mikrostrips arbeiten, ist das Ganze etwas komplizierter. Als Ausgangspunkt für die Leitungslänge und die Minimierung von Übertragungsleitungseffekten wie dem Schwingen empfehle ich hier die Seite von Glen Dash.

Aber zurück zu langen und kurzen Leiterbahnen... Wenn Sie eine kurze Leiterbahn haben, wird das Schwingen durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten verursacht. Ein Impuls oder eine plötzliche Änderung des Eingangs bewirkt, dass die parasitären Bauteile mit ihrer charakteristischen Frequenz schwingen und so den Schwingeffekt an Ihrem Ausgang verursachen. Auf langen Leiterbahnen liegt die Ursache des Schwingens eher in einer Signalreflexion, die aus einer Impedanzfehlanpassung resultiert.

Signalrauschen hat mir während meiner Studienzeit übermäßig Angst beschert. Aber sobald man in der Branche tätig wird, kann dieses Phänomen tatsächlich katastrophale Konsequenzen haben. 

Wie beeinflusst das Schwingen Ihr System?

Wenn Sie ein rauschendes Oszilloskop nicht in eine existenzielle Krise stürzt, ist das großartig. So haben Sie auf jeden Fall eine viel niedrigere Therapierechnung. Aber auch so kann das Schwingen negative Auswirkungen auf Ihr Leben und Ihr Produktdesign haben.

Erhöhte elektromagnetische Störungen (EMI): Schwingen kann Rauschen und Interferenzen verursachen und tut es leider auch oft. Diese elektromagnetischen Störungen können über Ihre Leiterplatte strahlen oder geleitet werden und sich entsprechend verbreiten – einschließlich aller damit verbundenen Performance-Probleme.

Erhöhter Stromfluss: Schwingen verursacht einen erhöhten Stromfluss in Ihrer Schaltung. Dies bewirkt nicht nur einen entsprechenden Anstieg der von Ihrem Produkt verbrauchten Energie (und eine kürzere Batterielebensdauer), sondern sorgt auch dafür, dass die Bauteile auf Ihrer Leiterplatte einer zusätzlichen und unerwarteten Erwärmung ausgesetzt werden. Dies wiederum kann deren Funktionalität und Lebensdauer beeinträchtigen.

Verringerte Leistungsfähigkeit: Zusammen mit den kumulierten Performance-Beeinträchtigungen aufgrund des erhöhten Stromflusses und der Erhitzung verringert das Schwingen die Leistung über eine Reihe verschiedener Parameter hinweg. Da es aufgrund der Einschwingzeit zu einer Verzögerung beim Ausgang kommt, wird die Reaktionsgeschwindigkeit Ihrer Schaltung leiden, und die Auflösung Ihrer Ausgänge wird ebenfalls geringer ausfallen.

Digitale Schaltungen sind besonders anfällig für Schwingeffekte.
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Wenn Sie mit digitalen Schaltkreisen arbeiten, ist das Schwingen besonders schädlich. Sie haben mit all den zuvor beschriebenen Problemen zu kämpfen, jedoch ist der Schwellenwert dabei weitaus niedriger. Kommt dann noch Rauschen auf einer Versorgungsleitung hinzu, werden Sie es höchstwahrscheinlich mit Fehlern und beschädigten Daten zu tun haben.

Akustische Rückkopplung: Eine besondere Art des Schwingens tritt in Audio- und Videoanwendungen auf. Die Welligkeit entsteht hier im hörbaren Bereich und wird damit in Ihrem Ausgang zu hören sein. In Videodarstellungen entstehen sichtbare Artefakte.

Ein Schwingen kann sich bei Audio- und Videoanwendungen hörbar auf Ausgänge auswirken.

Wie vermeide ich Schwingen?

Schwingen kann lästige bis katastrophale Auswirkungen auf die Performance Ihres Systems haben. Die Optimierung Ihres Designs kann enorme Auswirkungen auf den Performance und den Ausgang haben. Zunächst sollten Sie die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten reduzieren. Weiterhin sollten Sie die Knotenlängen minimieren, insbesondere bei den Bauteilen in der Leistungsstufe Ihrer Leiterplatte. Dazu sollten Sie von einer Impedanzanpassung Gebrauch machen, um etwaige Signalreflexionen zu minimieren. Die Impedanzanpassung variiert je nach Ihrer Anwendung. Als Einsteg empfehle ich die Fachartikel von Texas Instruments, die sehr spezifische Empfehlungen für eine Reihe verschiedener Anwendungen geben.

Während es für existierende Programme unmöglich ist, alle möglichen Störquellen zu prüfen, kann die Nutzung des richtigen Programms Ihnen jede Menge Arbeit sparen. Anstatt gleichsam die Nadel im Heuhaufen zu suchen und alle Parameter Ihrer Leiterplatte zu optimieren, schafft Ihnen dies den Freiraum, sich mit den wirklich wichtigen Herausforderungen zu befassen. Altium bietet einige der besten Lösungen im Bereich PCB-Software, wie zum Beispiel Altium Designer, und verfügt über Tools, die Sie bei der Fehlerprüfung enorm entlasten. Dies gibt Ihnen Zeit, um sich mit den philosophischen Implikationen rauschender Schaltungen zu befassen. Alternativ können Sie sich auch ganz einfach wieder Ihrem Leben widmen.

Haben Sie eine Frage zum Schwingen? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.