Störungen vermeiden EMV-gerechtes Leiterplattendesign

Die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Daten und damit die Flankensteilheit der Signale wird immer größer, sodass der Anteil hoher Frequenzen bei der elektromagnetischen Emission wächst. Bei vielen Geräten sprechen Gewichts-, Kosten- oder Entwärmungsaspekte dagegen, Grenzwerte der Störaussendung durch Schirmung sicher einzuhalten. Hier hilft EMV-gerechtes Leiterplattendesign.

Um die Ausbreitung einer Störung zu verhindern, bewährt sich die alte Regel »Entstöre an der Quelle«. Da sich die meisten Emissionsquellen auf der Leiterplatte befinden, greifen EMV-Maßnahmen im Design unmittelbar. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass man EMV nicht »hinein prüfen« kann; sie muss »hinein entwickelt« werden. Durch EMV-gerechtes Leiterplattendesign, Design- Reviews und Pre-Compliance- Messungen lassen sich Probleme bei der Abnahme wirkungsvoll vermeiden, und das Produkt kann termingerecht auf den Markt gebracht werden.

Am Anfang des Entwicklungsprozesses sind die Möglichkeiten, die Qualität eines Designs zu beeinflussen, am zahlreichsten. Frühzeitige Integration der EMV in den Produktentstehungsprozess vermeidet Fehler und senkt die Kosten für Korrekturmaßnahmen. Für die Realisierung einer EMVgerechten Leiterplatte sind die folgenden Schritte wichtig:

  • Frühzeitige Definition der EMV-Anforderung an das Gerät (Gesamtsystem) und an die Baugruppe.
  • Analyse der Koppelpfade auf dem Board und der Abstrahlungspfade vom Board in die Geräteumgebung.
  • Ableiten der EMV-bezogenen Regeln für das Board- Design aus der quantitativen Beschreibung der Koppel- und Abstrahlungspfade.
  • Design-Review nach Erstellen des Designs durchführen, bei dem die Einhaltung der Designregeln überprüft und Abweichungen bewertet werden.
  • Sobald Prototypen vorliegen, Pre-Compliance- Messungen auf dem Board durchführen.   
  • Feedback zum EMV-Verhalten der Baugruppe im Gerät (Gesamtsystem) auswerten.

EMV-Anforderungen

Die Anforderung an das Modul ergibt sich aus den Anforderungen an das Gerät (Gesamtsystem) und aus dem durch Gerät und Umgebung bereitgestellten Schutz. Anforderungen an das Gerät lassen sich einteilen in die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten und Störfestigkeitsanforderungen bezüglich elektromagnetischer Felder, elektrostatischer Entladungen, leitungsgebundener HFStörungen sowie Burst, Surge und Starkstrombeeinflussung. Eine Schirmung beispielsweise durch Metallschränke, Gehäuse oder Kabel kann die Anforderungen an die Baugruppe reduzieren, denn sie erzeugt Schutzzonen, die bezüglich der Emission, der Störfestigkeit gegen Felder und gegen elektrostatische Entladungen relevant sind. Auch Filterung und Überspannungsschutz können die Störfestigkeitsanforderungen an das Modul reduzieren.

Wichtig ist, dass die Schutzmaßnahmen durch Berechnung oder Messung in ihrer Wirkung quantitativ beschrieben werden, damit sie bei der Definition der Anforderungen an das Board berücksichtigt werden können. Im Folgenden geht es um Modelle für die Beschreibung der Abstrahlung eines Moduls ohne Berücksichtigung von Schutzmaßnahmen auf Systemebene.

Die Beschreibung der Koppel- und Abstrahlungspfade erfolgt mit Hilfe überschaubarer, bewährter Modelle, welche den Einfluss der elektrischen und geometrischen Parameter einfach, aber korrekt beschreiben. Bild 1 gibt eine Übersicht über die praxisrelevanten Koppel- und Abstrahlungspfade moderner Module.

Welche elektrischen, geometrischen und Werkstoffparameter beeinflussen nun die Abstrahlung des Moduls wesentlich? Als Beispiel werde die »Power Bus Noise« (Störungen auf den Stromversorgungslagen) betrachtet. Sie kann zu direkter Abstrahlung führen, aber auch Quelle für erhöhte Abstrahlung über periphere Elemente sein, beispielsweise Kabel.

Bild 2 zeigt, wie Power-Bus-Noise entsteht. Hierbei lassen sich die durch schnelle Schaltvorgänge in einem IC verursachten hochfrequenten Störungen als Störstromquelle auffassen, die den Störstrom Inoise in das Versorgungssystem der Leiterplatte einprägt. Aus HF-Sicht besitzt das Versorgungssystem die Impedanz Z, durch welche die Störspannung Unoise entsteht.

Hieraus wird unmittelbar deutlich, dass es bei der Bekämpfung von Power-Bus-Noise um die Minimierung der Impedanz des Versorgungssystems geht. Dies geschieht durch Verringerung des Lagenabstandes und durch Hinzuschalten diskreter Abblockkondensatoren. Auf die Verkleinerung des Störstroms Inoise hat der Leiterplattenentwickler in der Regel keinen unmittelbaren Einfluss.

In Bild 3 ist zu sehen, welche Parameter die Abstrahlung hauptsächlich bestimmen. Messungen zeigen, dass dieses einfache Rechteckmodell die wesentlichen Einflussgrößen richtig beschreibt, sodass die Größenordnungen von Emissionsfrequenzen (Resonanzfrequenzen fmn) und Pegeln korrekt prognostiziert werden können.

Auf der Basis eines solchen Modells lassen sich für den jeweiligen Anwendungsfall spezifische, quantitative Designregeln ableiten. Wie die Formel für den oberen Grenzwert der Strahlungsamplitude Emax im Abstand r zeigt, lässt sich der Strahlungspegel am effektivsten durch Verkleinern des Lagenabstands h verringern[1]. Bereits eine Halbierung verringert die Abstrahlung um 6 dB.

Obwohl häufig Komponenten wie Kabel, Kühlkörper oder Submodule ungewollt als Antenne für die Abstrahlung fungieren, hängt der abgestrahlte Pegel erheblich vom Design der Leiterplatte selbst ab. Als zweites Beispiel werde nun die Gleichtakt- Abstrahlung über ein Kabel betrachtet, welches an die Baugruppe angeschlossen ist.