EM-Verträglichkeit simulieren Werkzeuge zur Simulation von Signalintegrität und elektromagnetischer Verträglichkeit

Bei modernen Steuergeräten unterliegt der Leiterplattenentwurf vielfältigen Restriktionen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Die Leiterplatte ist dabei selbst als aktive Komponente innerhalb des EMV-Gesamtbilds zu sehen. Dieser Beitrag stellt die Ergebnisse eines Projektes vor, in dem ein empirischer Simulationsansatz untersucht worden ist, insbesondere auch im Hinblick auf die Anwendbarkeit im gesamten ECAD-Entwurfsprozess.

Die Zahl der elektronischen Komponenten in Fahrzeugen nimmt kontinuierlich zu. So arbeiten im VW Phaeton allein 45 miteinander vernetzte Steuergeräte. Diese Komplexität ist aber kein Privileg der Oberklasse, sondern sie findet sich in allen Fahrzeugtypen bis hin zu Nutzfahrzeugen. Daher kommt der Gewährleistung der EMV und dem EMV-gerechten Leiterplatten-Design ständig steigende Bedeutung zu. Durch den Einsatz von Komponenten mit immer höher werdenden Taktraten und damit steileren Signalflanken, wie sie bisher nur in der IT und Kommunikationstechnik Anwendung fanden, wächst der Frequenzbereich der auftretenden Störungen immer weiter an und mit ihnen auch die zu erwartenden Feldstärken. Zusätzlich sorgen immer niedrigere Versorgungsspannungen der integrierten Bauteile für niedrigere Schaltpegel, wodurch bereits minimale Störungen ausreichen, um eine Fehlfunktion zu verursachen. Aber nicht nur die digitalen Schaltkreise können stören, auch beim Abschalten einer Spule treten elektromagnetische Störungen auf.

Der Gesetzgeber hat dieses Problem bereits vor vielen Jahren adressiert: am 9. 11. 1992 trat das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit (EMVG) in Kraft, das verfeinert wurde und in der derzeit aktuellen Version vom 1. 03. 2008 (Richtlinie 2004/108/EG BGBl. I S. 220) vorliegt.

EMV beruht in diesem Zusammenhang immer auf der Abstrahlung elektromagnetischer Felder. Ein statisches elektrisches Feld bildet sich, wenn an zwei Leitern eine Gleichspannung anliegt, diese Struktur wird unabhängig von der geometrischen Form als elektrischer Dipol bezeichnet. Diese statischen Felder spielen für die praktische EMV eine eher geringe Rolle, da die Feldstärken mit der Entfernung sehr schnell abnehmen. Dies ändert sich, sobald der Dipol nicht mehr von einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom gespeist wird, sondern von einer hochfrequenten Wechselgröße. Das elektrische und das magnetische Feld können nun nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet werden, denn das elektrische Feld erzeugt ein magnetisches Feld und umgekehrt. Die Dipole erzeugen elektromagnetische Wellen und werden damit zu Antennen, die die Grundvoraussetzung für elektromagnetische Abstrahlung darstellen.

Sehr oft werden Dipole nicht von Signalspannungen oder Strömen angeregt, sondern ungewollt durch eingekoppelte Signale. Wenn Signalleitungen dicht nebeneinander verdrahtet werden, dann sind diese induktiv und kapazitiv gekoppelt. Ein schnell schaltendes Signal auf einer Leitung bewirkt durch das entstehende Magnetfeld ein Übersprechen (Crosstalk) auf andere Leitungen, auf denen sich dann ein Störimpuls ausbreitet. Übersprechen führt aber nicht nur zu Problemen der Signalintegrität, sondern auch zu erhöhter Abstrahlung. Besonders kritisch ist dies, wenn die Verkopplung zu einem Ein- bzw. Ausgangssignal besteht und das eingekoppelte Signal sich dann auch über angeschlossene Kabel ausbreiten kann. Wenn ein Signalstrom auf eine andere Leitung überkoppelt, speist dieser Koppelstrom die Antenne, häufig im Rückstrompfad. Des Weiteren können auch Kabel und Kühlkörper auf den Platinen oft wie parasitäre Antennen wirken (Bild 1).