Optimales Platinen-Layout für Entkopplungskondensatoren – 1. Teil EMV beginnt auf der Leiterplatte

Moderne Digitalsysteme verlangen dank der immer schneller werdenden Halbleiterbauelemente nach Spannungsversorgungs-Strukturen auf den Leiterplatten, die über sehr große Bandbreiten hinweg eine geringe Impedanz aufweisen.

Optimales Platinen-Layout für Entkopplungskondensatoren – 1. Teil

Moderne Digitalsysteme verlangen dank der immer schneller werdenden Halbleiterbauelemente nach Spannungsversorgungs-Strukturen auf den Leiterplatten, die über sehr große Bandbreiten hinweg eine geringe Impedanz aufweisen. Dies ist zum einen aus funktionalen Rücksichten notwendig, zum anderen eine wesentliche Voraussetzung für gute EMV.

Unter anderem spielen SMD-Keramikkondensatoren beim Layout der Versorgungs-Strukturen moderner Digitalsysteme eine wesentliche Rolle – vorausgesetzt, sie werden entsprechend ihren realen Eigenschaften optimal eingesetzt. Dieser Beitrag befasst sich daher mit dem realen Verhalten dieser Bauelemente und den sich daraus ergebenden Konsequenzen für ihren effektiven Einsatz.

Kondensatoren entscheiden über die Funktionssicherheit

In Bild 1 ist der Versorgungsstrompuls einer CMOS-Schaltung sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich zu sehen. Die hohe Geschwindigkeit, die auf der Treiberseite aus funktionalen Rücksichten gewünscht ist, führt natürlich zu entsprechend schnellen Stromanstiegen auf der Versorgungsseite. Im Frequenzbereich bedeutet dies, dass sehr breitbandige Spektren vom Versorgungssystem niederimpedant gestützt werden müssen. Aus funktionaler Sicht gilt dies besonders für die Grundwelle und die ersten Oberwellen, da hier die größten Amplituden auftreten. Aus Sicht der EMV gilt diese Forderung aber mindestens genauso für die höherfrequenten Oberwellenanteile, da diese dank immer besserer „Antennenwirkungsgrade“ zunehmend leichter den Übergang in den freien Raum schaffen und damit zu massiven Abstrahlungsproblemen führen. Darüber hinaus führt eine gelungene breitbandige Entkopplung zu diversen weiteren positiven Effekten, wie z.B. einer verbesserten Signalintegrität.

Eine Voraussetzung für die Realisierung eines leistungsfähigen Stromversorgungssystems ist der Einsatz flächiger Strukturen, die in der Regel durch eine geeignete (Kondensator) Beschaltung ergänzt werden. Alleine die Frage, wie die Kondensatoren einzusetzen sind, ist ein sehr umfangreiches Thema und nicht Gegenstand dieses Beitrages. Der erfolgreiche und kostenoptimale Einsatz der Kondensatoren setzt jedoch ein detaillierteres Verständnis ihrer realen Eigenschaften voraus, da nur auf diese Weise auch auf der Layoutseite die optimalen Rahmenbedingungen geschaffen werden können. Daher wird im Folgenden untersucht, welche Faktoren die realen Hochfrequenzeigenschaften solcher Kondensatoren bestimmen, um daraus Strategien für einen optimalen Einsatz abzuleiten.

In Bild 5 ist der Betrag der magnetischen Feldstärke in der unmittelbaren Umgebung der beiden vertikalen Leiterelemente 5a) bei geringer magnetischer Kopplung und 5b) bei ausgeprägter magnetischer Kopplung gezeigt. In letzterem Fall ist das H-Feld außerhalb der beiden Leiter deutlich weniger ausgeprägt.

Die besonders starke Abnahme der Induktivität bei sehr geringen Leiterlängen (der beiden horizontalen Leiter) wird also durch die Gegeninduktivität zwischen den beiden vertikalen Leiterelementen ausgelöst. Betrachtet man diese beiden Leiter als Zweidrahtleitung mit einer Länge von 10 mm und einem Drahtdurchmesser von 0,1 mm, gelten die in Bild 6 dargestellten Zusammenhänge für Eigen-, Gegen- und Gesamtinduktivität. Wären . beide Leiter unendlich weit voneinander entfernt, könnte jedem eine partielle Eigeninduktivität von rund 10 nH zugeordnet werden, entlang der Leitung also eine (partielle) Gesamtinduktivität von 20 nH. Diese Gesamtinduktivität lässt sich nun dadurch reduzieren, dass die beiden Leiter so stark aneinander angenähert werden, dass eine nennenswerte magnetische Kopplung einsetzt. Im theoretischen Grenzfall, wo beide Leiter unendlich nah beieinander liegen, betrüge diese Reduktion wiederum fast 10 nH, nämlich das Maximum der Gegeninduktivität. Diese kann bekanntlich nicht größer werden als die Eigeninduktivität des einzelnen Leiters.

Die durch das Einsetzen der Gegeninduktivität hervorgerufene zusätzliche Abnahme der Gesamtinduktivität ist aus praktischer Sicht ausgesprochen interessant. Ziel ist es, diesen Effekt beispielsweise bei der Anordnung zweier Vias, die einen SMD-Kondensator mit den zugehörigen GND- und Udd-Planes verbinden, zu kultivieren. Je nach Lagenaufbau können diese Vias mitunter relativ lang werden und einen erheblichen Beitrag zur Gesamtinduktivität des Stützstromkreises leisten! Tatsächlich ist der Anteil an der Gesamtinduktivität, der den Vias und Anschlusspads zuzuordnen ist, in vielen Fällen erheblich größer als die dem Kondensatorkörper zuzuordnende Induktivität. Damit wird dieser Anteil aber zur dominanten Größe und birgt folglich erhebliches Verbesserungspotential.

Der zweite Teil dieses Beitrags befasst sich mit den relevanten Vorgängen am Kondensator selbst und führt die Erkenntnisse dann in Form von konkreten Layoutvorschlägen zusammen. Störende Impedanzen können dadurch um bis zu 95 % reduziert werden! Dies schafft erhebliche Freiheitsgrade zur Reduzierung der Bauteile-Anzahl oder zur drastischen Verbesserung der Stützfunktion bzw. Entkopplung. (Wolfgang Hascher)