Optimales Platinen-Layout für Entkopplungskondensatoren EMV beginnt auf der Leiterplatte (Teil 2)

Nachdem sich dieser Beitrag <a href="http://www.elektroniknet.de/?id=9204">im ersten Teil</a> mit grundlegenden Parametern von SMD-Kondensatoren befasst hatte, werden diese nun an einem realen Bauelement verifiziert.

Optimales Platinen-Layout für Entkopplungskondensatoren – 2. Teil

Nachdem sich dieser Beitrag im ersten Teil mit grundlegenden Parametern von SMD-Kondensatoren befasst hatte, werden diese nun an einem realen Bauelement verifiziert.

Hierzu wurde ein Kondensator mit Hilfe eines 3D-Field-Solvers (HFSS V.11 [4]) untersucht. In Bild 7 sind die Induktivität des aus Via1, Pad1, Kondensator, Pad2, Via2 bestehenden Stromkreises als Funktion des Via-Abstandes (center-center) sowie das 3DModell des Aufbaus (über Kopf) mit einer farblichen Kennzeichnung des Oberflächenstromes für 500 MHz dargestellt. In Übereinstimmung mit den Erkenntnissen an einer geschlossenen Leiterschleife zeigt sich auch hier eine stärkere Abnahme der Induktivität mit einsetzender magnetischer Kopplung der beiden Vias. Für praktische Aufbauten lässt sich hier eine zusätzliche Abnahme der Induktivität in der Größenordnung von 20 % ablesen.

HF-Effekte – hinterfragt

Die Anzahl der aus physikalischer Sicht erforderlichen Lagen in einer Leiterplatte ergibt sich aus einer Vielzahl von Faktoren (Spannungsebenen, Routingbedarf, Impedanzen, spezifische EMV-Aspekte etc.). Häufig werden jedoch Leiterplatten eingesetzt, die aus Kostengründen nicht die erforderliche Anzahl an Lagen aufweisen. Besonders in solchen Leiterplatten lohnt es sich, diese zusätzliche Induktivitätsabnahme auszubeuten, da hier oftmals sehr lange Vias erforderlich werden und diese Leiterplatten aus EMV-Sicht ohnehin besonders kritisch sind.

Ein weiteres interessantes Detail ist in Bild 7b zu erkennen: Die Darstellung des Oberflächenstroms auf den metallischen Komponenten des Aufbaus (Vias, Pads, Kondensatorplatten) lässt erkennen, dass in den oberen Platten des Kondensators (in der Darstellung unten, weil kopfstehend gezeigt) so gut wie kein Strom fließt; der Stromfluss konzentriert sich in den untersten Platten des Plattenstapels. Da für die Bestimmung der Induktivität diejenige Fläche relevant ist, die von dem Stromkreis umfasst wird, muss dieser Effekt eine Auswirkung auf die Gesamtinduktivität haben. Die dem Kondensator zuzuordnende Induktivität dürfte klein sein gegenüber der Induktivität, die den relativ langen Vias (700 μm) zuzuordnen ist. Um den zu untersuchenden Effekt nicht zu maskieren, wurden die Vias so eingekürzt, dass die Vorgänge im Kondensator den dominanten Anteil der Gesamtinduktivität ausmachen.

Aus 3.) ergibt sich zunächst die Empfehlung, Induktivitäts- und Kapazitätsangaben solcher Kondensatoren mit einer gewissen Vorsicht zu betrachten. De facto wurden diese internen Vorgänge und ihre Auswirkungen bislang weitestgehend ignoriert, die praktischen Auswirkungen nach dem Motto „viel hilft viel“ unterdrückt. In künftigen Designs könnte es aber durchaus erstrebenswert sein, die Anzahl der verwendeten Kondensatoren z.B. aus Kosten-, Platz-, Gewichts-, Zuverlässigkeits- oder anderen Gründen zu reduzieren. Die sich abzeichnende Notwendigkeit, diesen internen Vorgängen Rechnung zu tragen und ggf. auch dort Verbesserungspotentiale zu heben, ist von den Kondensatorherstellern längst erkannt worden und spiegelt sich in dem Angebot modernerer Kondensatortopologien wider. Kondensatoren, die durch eine geschickte Anordnung der Platten bereits innerhalb des Kondensators die Gegeninduktivität ausnutzen, sind an dieser Stelle stellvertretend für eine Vielzahl neuer Produkte in diesem Bereich zu nennen.