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Filterdesign

Auswirkungen von Layout, Vias und Bauform auf das EMV-Verhalten

06. September 2021, 08:30 Uhr   |  Von Andreas Nadler

Auswirkungen von Layout, Vias und Bauform auf das EMV-Verhalten
© Würth Elektronik eiSos

Über korrektes PCB-Layout und Filter für die Versorgungspins digitaler ICs finden sich in der Literatur viele Hinweise. Doch oft fehlen Messungen oder praxisnahe Simulationen. Denn Bauform, Anzahl von Masse-Vias und Platzierung der Filterkondensatoren beeinflussen die Abblockqualität signifikant.

Abblockkondensatoren an Versorgungspins sollen die getaktete Stromschleife der digitalen Schaltkreise mithilfe einer niedrigen Impedanz lokal auf kürzestem Weg schließen, um das abgestrahlte magnetische Feld und die in die Versorgungsspannungs-ebene eingekoppelten HF-Störströme bestmöglich zu reduziert. Wählt der Entwickler die Kondensatoren hinsichtlich deren Impedanzkurve optimal und platziert er sie geometrisch optimal an den VCC-Pins, wird der getaktete HF-Strom zuverlässig abgeblockt.

Um die verschiedenen Einflüsse in der Praxis zu zeigen, erstellte ein Expertenteam bei Würth eine vierlagige Platine, die auf eine Impedanz von genau 50 Ω ausgelegt ist und mit der sich die Einfügedämpfung S21 über den Frequenzbereich von 300 kHz bis 3 GHz ermittelten lässt. Ergänzend kam eine Simulationssoftware zum Einsatz, um zu ermitteln, wie nahe man an die reale Messung mittels eines Netzwerkanalysators anknüpfen kann und wie stark die Positionierung von Vias (Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte) relativ zueinander die Parameter beeinflusst. Als HF-Steckverbinder wurden die MMCX-Typen der Würth Elektronik eiCan ausgewählt.

Schaltplan und Messaufbau

Ansicht der Demoplatine mit den verschiedenen 50-Ω-Messkanälen. Die obersten beiden Kanäle dienen dazu, den Messaufbau zu kalibrieren
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Bild 1 Ansicht der Demoplatine mit den verschiedenen 50-Ω-Messkanälen. Die obersten beiden Kanäle dienen dazu, den Messaufbau zu kalibrieren.

Die Demoplatine (Bild 1) besitzt sechs Mess- und zwei Referenz- bzw. Kalibrierungskanäle, Bild 2 zeigt den Schaltplan. Mit dem dritten Kanal lässt sich die Oszillation messen, die auftritt, wenn mehrere MLCCs (Multi Layer Ceramic Capacitor) parallel geschaltet sind. Zudem steht die Frage im Raum, inwiefern sich Keramikkondensatoren Klasse-1-Dielektrika (z. B. NP0, C0G) von Klasse-2-Dielektrika (z. B. X5R, X7R) bei ansonsten identischen Bauteilwerten in ihrer Wirkung unterscheiden. In den restlichen fünf Kanälen werden immer der gleiche HF-SMD-Ferrit 742863122 von Würth Elektronik in der Bauform 0603 und je zwei X7R-MLCC mit 100 nF verwendet. Unterschiede finden sich jedoch in der Anzahl der Masse-Vias, der Bauform und in der geometrischen Anordnung der MLCCs.

Schaltplan der Demoplatine in Altium mit den verschiedenen 50-Ω-Messkanälen (ohne Kalibrierungskanäle)
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Bild 2. Schaltplan der Demoplatine in Altium mit den verschiedenen 50-Ω-Messkanälen (ohne Kalibrierungskanäle).

Grundsätzlich gilt: Je höher und breitbandiger die Einfügedämpfung S21 ist, desto besser wirkt der gesamte Filter und/oder der einzelne Abblockkondensator. Da in allen sechs Messkanälen überall der gleiche Ferrit und je zwei 100-nF-MLCC platziert sind, hängt die Einfügedämpfung in den Messungen von folgenden Parametern ab:

➔ Bauform der MLCCs (vor allem deren parasitärer Induktivität ESL)
➔ Anzahl der Vias nach Masse (mehr Vias = geringere parasitäre Induktivität gegen Masse)
➔ geometrische Anordnung der MLCCs zum Ferrit (parasitäre in- duktive und kapazive Kopplungen)
➔Länge der Leiterbahnen zu den Lötpads der MLCCs (ändert den resultierenden ESL des MLCC).

Layout im Detail

Das beste Ergebnis verspricht die kleinste MLCC-Bauform 0403 mit drei Vias pro Masse-Pad, da deren äquivalente Serieninduktivität (ESL) am kleinsten ist (Kanal 8). Deutlich schlechter bei der Einfügedämpfung oberhalb der Resonanzfrequenz sollte die größte Bauform 0805 mit nur einer Durchkontaktierung pro Masse-Pad ausfallen (Kanal 5). Das schlechteste Ergebnis stellt der Messkanal mit den Bauteilen in der Größe 0805 in Kombination mit dem mangelhaften Layout (Kanal 4) in Aussicht.

Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten des schlechten Layouts, die die Einfügedämpfung des Filters reduzieren
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Bild 3. Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten des schlechten Layouts, die die Einfügedämpfung des Filters reduzieren.

Dort kommt nur eine einzige Masse-Via für beide MLCCs zum Einsatz. Zudem sind die Kondensatoren parallel zum Ferrit angeordnet, was zu parasitären induktiven und kapazitiven Kopplungen führt. Des weiteren sind die Leiterbahnanschlüsse der MLCC-Pads unnötig lang ausgeführt, denn ein bis zwei Millimeter Leiterbahn entsprechen ca. 0,5 nH zusätzlichem ESL. Bild 3 verdeutlicht die parasitären Impedanzen, die durch den Aufbau und das Layout entstehen. Für die Messkanäle mit den Kondensatoren der Bauform 0603 sollten die Ergebnisse dazwischen liegen.

Zusätzlich ist noch ein Messkanal implementiert, um zu untersuchen, wie es sich auswirkt, wenn mehrere MLCCs aus Klasse-1-Keramik (NP0/C0G) mit unterschiedlichen Kapazitäten (100 pF, 1 nF und 4,7 nF) parallel geschaltet sind. Da die Kondensatoren, bei denen das Dielektrikum aus Titanoxid besteht, ein besonders hohe Güte haben, stehen ungünstige Resonanzen zwischen den verschiedenen kapazitiven und induktiven Elementen zu befürchten.

Messkanal mit MLCCs mit drei verschiedenen Kapazitätswerten, aber gleichem Dielektrikum. Der vierte MLCC zwischen den Beschriftungen wurde bei den Tests nicht bestückt
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Bild 4. Messkanal mit MLCCs mit drei verschiedenen Kapazitätswerten, aber gleichem Dielektrikum. Der vierte MLCC zwischen den Beschriftungen wurde bei den Tests nicht bestückt.

Diese Resonanzen dürften die Einfügedämpfung S21 in bestimmten Frequenzbereichen stark reduzieren. Das gleiche Szenario steht zudem mit MLCCs aus einer Klasse-2-Keramik (X7R) auf dem Prüfstand. Dieses Dielektrikum besteht aus Bariumtitanat, das stärker verlustbehaftet ist als eine Klasse-1-Keramik. Damit ist deren Güte etwas geringer, der Verlustwinkel tan δ größer, sodass die Resonanzamplitude etwas geringer ausgeprägt sein dürfte. Der Aufbau des Layouts ist in Bild 4 gezeigt.

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1. Auswirkungen von Layout, Vias und Bauform auf das EMV-Verhalten
2. Simulation und Messung im Vergleich

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