Optimales Platinen-Layout für Entkopplungskondensatoren
EMV beginnt auf der Leiterplatte (Teil 2)
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
EMV beginnt auf der Leiterplatte (Teil 2)
Als praktische Empfehlung könnte man aus 4.) ableiten, vorzugsweise Kondensatoren einzusetzen, die über keine unnötig hohe Güte verfügen. Damit lassen sich die Resonanzeffekte spürbar dämpfen, und ein möglicherweise unerwartetes bzw. ungewolltes Verhalten wird unwahrscheinlicher.
Wie eingangs des ersten Teils dieses Artikels beschrieben, steht und fällt die breitbandige Nutzbarkeit solcher SMD-Keramikkondensatoren mit der erfolgreichen Minimierung der im Stützstromkreis vorhandenen parasitären Induktivität. Diese bestimmt, wie steil der Impedanzzuwachs des Kondensators mit zunehmender Frequenz ist, und bildet damit ein direktes Maß für die nutzbare Bandbreite desselben.
In Bild 12 ist für drei Layout-Varianten gezeigt, wie stark die „Performance“ ein und desselben Kondensators allein durch die Optimierung des Einbaus verbessert werden kann.
Variante a) stellt den klassischen Einbau dar: Die äußeren Enden der Pads sind mit je einem Via an die zugehörige Plane angeschlossen. Obwohl hier – anders als in vielen heutigen Designs – keine zusätzliche Leiterbahn eingefügt wurde, ist der rasante Anstieg der Impedanz nach Durchschreiten des Minimums durchaus augenfällig. Bei 1 GHz werden rund 10 Ω erreicht, 500 mΩ werden nur über eine Bandbreite von etwa 40 MHz unterschritten. Variante b) orientiert sich insoweit an den Möglichkeiten heute gängiger Leiterplattenfertigungsprozesse, als dass die verschiedenen Parameter an die Grenzen des ohne zusätzlichen Aufwand Möglichen herangeschoben wurden. Im einzelnen wurden Ucc- und GND-Vias möglichst stark angenähert und pro Pad zwei Vias verwendet. Die Via-Länge wurde nicht verändert, was also etwa den Verhältnissen bei einer vierlagigen Leiterplatte entspricht. Dennoch ist die Verbesserung dramatisch: Die bei 1 GHz erreichte Impedanz ist um den Faktor 5 auf nunmehr 2 Ω gefallen, die „500-mΩ-Bandbreite“ auf rund 180 MHz gestiegen. Der Einsatz einer moderneren Kondensator-Bauform in Verbindung mit einem weiter optimierten Layout und – einem physikalisch korrekten Lagenaufbau entsprechend – deutlich verkürzten Vias führt zu den in c) abgebildeten Ergebnissen. Im Vergleich zur klassischen Konstruktion fällt die Impedanz bei 1 GHz um den Faktor 20 auf etwa 500 mΩ, womit dieser Impedanzbetrag über eine Bandbreite von nahezu 1000 MHz eingehalten wird.
Diese Ergebnisse sprechen für sich. Besonders bemerkenswert ist vor dem Hintergrund dieses massiven Verbesserungspotentials die Tatsache, dass dieses größtenteils nur durch eine entsprechende Gestaltung des Layouts und damit ohne zusätzliche Kosten zu heben ist – zweifelsohne eine der seltenen Gelegenheiten, wo eine spürbare Verbesserung der EMV fast ohne zusätzlichen Aufwand zu bekommen ist. (Wolfgang Hascher)
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Siehe auch:
EMV beginnt auf der Leiterplatte (Teil 1)
Probleme durch Schnitte in Masseflächen
EMV-gerechtes Leiterplattendesign
Die Tatsache, dass der Betrag der Impedanz auch nach dem Übergang in den induktiven Bereich weiterhin abnimmt, hat zweierlei Gründe: Zum einen ist dem Kondensator eine zusätzliche Induktivität in Form der Vias vorgeschaltet, so dass das Resonanzverhalten des Kondensators mit einem zusätzlichen XL überlagert wird. Zum anderen findet man gerade in diesem Frequenzbereich eine deutliche Abnahme der Induktivität (und der Kapazität) über der Frequenz, was die Serienresonanz zu höheren Frequenzen hin „verschleift“. Diese Beobachtung zeigt also auch, wie ausgeprägt der Einfluss der Anschlussgeometrie auf das Gesamtverhalten der Konstruktion ist. Weiterführende Simulationen mit Ersatzschaltungen, die an eine Leitungsnachbildung angelehnt waren, ermöglichten eine plausible Nachbildung dieser „induktiven Serienresonanz“. Im Lichte dieser Untersuchungen wird erkennbar, dass die Praxis, einem bestimmten Kondensator(körper) diskrete Induktivitäts- oder Kapazitätswerte zuzuordnen, ein gewagtes Unterfangen ist.
- EMV beginnt auf der Leiterplatte (Teil 2)
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- Von der Theorie in die Praxis: Layout-Empfehlungen
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