Elektromagnetische Störungen (EMS) sind Teil unserer alltäglichen Umgebung. Sie wirken sich auf alle elektronischen Produkte aus – von Verbrauchergeräten bis hin zu fortschrittlichen industriellen Systemen.
Wenn beispielsweise zwei Mikrofone in einem Karaoke-Raum zu nahe beieinander platziert werden, kann dies zu Störgeräuschen führen. Ebenso kann in Gebieten mit instabilen Erdmagnetfeldern die GPS-Ortung gestört werden oder sogar ganz ausfallen. Beides sind Beispiele für EMS in realen Szenarien.
Wenn EMS-Probleme auftreten, sind sie selten zufällig. In den meisten Fällen lässt sich die Ursache auf eine entscheidende Komponente zurückführen: die Leiterplatte.
Dennoch wird EMS oft noch als „ein Problem, das erst bei der Prüfung des Endprodukts behandelt wird” betrachtet. In Wirklichkeit werden die Ursachen für EMS-Probleme jedoch größtenteils bereits in der Design- und Fertigungsphase der Leiterplatte festgelegt.
Warum die Leiterplatte eine zentrale Rolle spielt
Die Leiterplatte ist der physische Träger von Signalen, Stromquellen, Stromkreisen und Referenzebenen elektronischer Geräte. Hier konzentriert sich die elektromagnetische Störung innerhalb weniger Funktionsmodule sehr stark. Genauer gesagt: Überall dort, wo es zu schnellen Stromänderungen oder zu instabilen Referenzwerten kommt, entsteht zwangsläufig elektromagnetisches Rauschen.
Die folgende Abbildung veranschaulicht die elektrischen und magnetischen Felder, die von Übertragungsleitungen erzeugt werden, wenn die Leiterplatte mit Strom versorgt wird. Diese Felder interagieren mit den umgebenden Signalen und beeinträchtigen die Signalqualität.
Wichtige Überlegungen zum EMV-Design von Leiterplatten
Funktionsbereiche
Eine gut konzipierte Leiterplatte trennt digitale Bereiche, analoge Bereiche und Bereiche für die Stromversorgung klar voneinander. Jeder Funktionsblock hat seine eigenen Störquellen, Stromrückführungen, Referenzanforderungen und tolerierbaren Interferenzen.
Ohne eine angemessene Isolierung zwischen den Bereichen kommt es dazu, dass sich Rückleitungspfade kreuzen, Grenzen unklar werden und Störsignale sich als abgestrahlte oder leitungsgebundene Emissionen ausbreiten.
Achten Sie beim Platzieren der Komponenten auf der Leiterplatte auf Folgendes:
- Halten Sie hochfrequente und rauschverursachende Bauelement (wie Schaltnetzteile und Taktschaltungen) von empfindlichen Bauelementen (wie analogen Signalwegen und Sensoren) fern, um die Kopplung von Störungen zu minimieren.
- Platzieren Sie Hochgeschwindigkeitsbauteile (wie Mikrocontroller [MCUs] und Speicherkomponenten) entfernt von der Leiterplattenkante und externen Anschlüssen, um die Anfälligkeit für externe Signale und unbeabsichtigte Strahlung zu verringern.
- Platzierung kritischer Komponenten:
– Quarzoszillatoren und Taktsignalquellen sollten so nah wie möglich an den Verbrauchern platziert werden, um die Leiterbahnlängen zu verkürzen und Strahlung und Interferenzen zu reduzieren.
– Energieverwaltungsgeräte sollten in der Nähe ihrer jeweiligen Verbraucher platziert werden, um Spannungsabfall und Rauschen entlang der Stromversorgungswege zu minimieren.
– Empfindliche Komponenten (wie z. B. Low-Level-Signalverstärker und hochpräzise ADCs) sollten weit entfernt von Rauschquellen, einschließlich Hochleistungsgeräten und Schaltreglern, positioniert werden.
Darüber hinaus muss die Fläche der Stromschleife streng kontrolliert werden, insbesondere bei Hochfrequenzsignalen. Bei niedrigen Frequenzen verhält sich eine Signalleitung in erster Linie wie ein Leiter. Bei hohen Frequenzen wird dieselbe Leitung jedoch zu einer Antenne. Die Minimierung der Schleifenfläche ist daher entscheidend für die Reduzierung elektromagnetischer Strahlung.
Strom- und Erdungsdesign
- Design der Masseflächen für die Stromversorgung
Die Masseflächen für die Stromversorgung sollte solide und durchgehend sein. Vermeiden Sie Segmentierungen, um die Ausbreitung von Stromversorgungsrauschen zu begrenzen. Filterkondensatoren sollten am Stromversorgungseingang platziert werden, um hochfrequentes Rauschen auf den Versorgungsleitungen zu unterdrücken. - Design der Erdungsflächen
Verwenden Sie solide, durchgehende Masseflächen, um niederohmige Rückwege für Signale bereitzustellen. Vermeiden Sie Unterbrechungen, insbesondere bei Hochfrequenzschaltungen, da diese zu Erdungsschwingungen führen und das Rauschen verstärken können. Die Erdung jedes Teilsystems sollte über eigens dafür vorgesehene Durchkontaktierungen direkt mit der Hauptmassefläche verbunden sein. - Auslegung Entkopplungskondensator
Platzieren Sie einen 0,1-uF-Hochfrequenz-Keramikkondensator und einen 10-uF-Bulk-Kondensator so nah wie möglich an jedem Stromanschluss, um hochfrequente Störsignale auf der Stromversorgung zu filtern und transiente Ströme bereitzustellen. Der Masseanschluss jedes Kondensators sollte über eine Durchkontaktierung direkt mit der Massefläche verbunden werden, um die Leitungsinduktivität zu minimieren und die Entkopplungswirkung zu verbessern.
Zusammen bilden die Stromversorgungsfläche, die Massefläche und die Entkopplungskondensatoren ein geschlossenes System, das schnelle transiente Ströme verarbeitet. Die Stabilität dieses Systems hat oft einen direkteren Einfluss auf die gesamte elektromagnetische Leistung der Leiterplatte als die Signalleitungen selbst.
Design Signalführung
Vermeiden Sie 90°Winkel beim Signal-Routing. Verwenden Sie stattdessen 45° Winkel oder gebogene Leiterbahnen, um Impedanzdiskontinuitäten und die daraus resultierenden Signalreflexionen zu reduzieren.
Hochgeschwindigkeitssignale (wie USB und HDMI) sollten gemäß den Designanforderungen mit kontrollierter Impedanz (z. B. 50 Ω single-ended oder 100 Ω differential) geroutet werden, um Signalverzerrungen und elektromagnetische Strahlung zu minimieren.
Differential pairs sollten mit angepassten Leiterbahnlängen und einheitlichen Abständen verlegt werden, um Verzerrungen zu reduzieren und Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.
In einer Mikrostreifenleitung (microstrip siehe Bild) werden die Signalleitungen auf den äußeren Schichten der Leiterplatte verlegt, während in einer Streifenleitung (Stripline siehe Bild) die Signale zwischen zwei Masseflächen verlegt werden. Streifenleitungen bieten aufgrund ihrer begrenzteren elektromagnetischen Felder im Allgemeinen eine bessere Impedanzkontrolle und reduzieren dadurch die Anfälligkeit für externe Störungen.
Übersprechen im Blick
- Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen (wie Takte und Datenbusse) sollten den 3W-Regeln (Leitungsabstand ≥ 3-fache Leitungsbreite) folgen, um Übersprechen zu minimieren.
- Vermeiden Sie parallele Verlegungen, insbesondere über lange Strecken, da diese die kapazitive und induktive Kopplung zwischen den Leitungen erhöhen.
- An Masse angeschlossene Schutzleitungen können neben kritischen Signalleitungen platziert werden, um eine Abschirmung zu bieten und die Anfälligkeit für externe Störungen zu verringern.
Weitere Optimierungsmaßnahmen
Regeln zum Lagenaufbau
Ein gut geplanter Lagenaufbau ist unerlässlich. Strom- und Masseflächen sollten nebeneinander platziert werden, um die Kopplung von Störungen aus der Stromversorgung in die Signallagen zu reduzieren. Hochgeschwindigkeits-Signallagen sollten über eine solide, durchgehende Massefläche geführt werden, um eine stabile Referenz und eine wirksame Abschirmung zu gewährleisten. Ein robuster Lagenaufbau trägt dazu bei, Impedanzkontrolle, Fertigungsausbeute, Kosteneffizienz und Vorlaufzeit in Einklang zu bringen.
Via-Design
Um Signalverzerrungen und elektromagnetische Strahlung zu reduzieren, sollte die Anzahl der Durchkontaktierungen minimiert werden, insbesondere auf kritischen Signalwegen. Die Platzierung der Durchkontaktierungen sollte optimiert werden, um die Bildung großer Stromschleifen oder Antenneneffekte zu verhindern. Wenn Hochgeschwindigkeitssignale zwischen Schichten übertragen werden müssen, platzieren Sie Stitching-Vias in der Nähe der Signal-Durchkontaktierung, um einen kurzen und durchgehenden Rückweg zu gewährleisten.
Wir haben Fälle aus der Praxis gesehen, in denen der Abstand zwischen der Impedanzleitungen und der Durchkontaktierung zu gering war. Um Platz für das Routing zwischen den Pads der Außenlagen zu schaffen, entfernte der Designer proaktiv nichtangeschlossene Lötaugen auf der Referenzlage. Unter Berücksichtigung der Fertigungsmöglichkeiten vergrößerte die Fabrik jedoch das Anti-Pad auf der Referenzschicht, um einen sicheren Abstand zu gewährleisten. Dies führte dazu, dass die Impedanzsignale nicht wie erwartet funktionierten.
Aus elektromagnetischer Sicht entstanden durch die Vergrößerung des Anti-Pads Bereiche unterhalb der Signalleitung, denen eine Referenzfläche fehlte. Dies führte zu abrupten Impedanzänderungen, die Signalreflexionen verursachten. Gleichzeitig störte das vergrößerte Anti-Pad den vorgesehenen Rückweg für das Signal. Infolgedessen vergrößerte sich die durch die Signalleitung und ihren Rückweg gebildete Schleifenfläche, wodurch elektromagnetische Energie nach außen abgestrahlt und die EMV-Leistung (Elektromagnetische Verträglichkeit) des Produkts beeinträchtigt wurde.
Materialauswahl
Es sollten Leiterplattenmaterialien mit niedrigem Dk- und Df-Wert ausgewählt werden, um die Signaldämpfung und -verzerrung während der Übertragung zu minimieren. Bei Bedarf können impedanzunterstützende Laminate oder spezielle Beschichtungsmaterialien in Betracht gezogen werden, um die EMV-Leistung der Leiterplatte weiter zu verbessern.
Zusammenfassung
Die EMV-Leistung einer Leiterplatte stellt einen Kompromiss zwischen Kernfunktionalität, Kosten, Zuverlässigkeit und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften dar. Beispielsweise wird bei Hochgeschwindigkeitskommunikationsgeräten in der Regel der Kontrolle der abgestrahlten Emissionen Vorrang eingeräumt, während bei medizinischen Geräten die Störfestigkeit gegenüber externen Störungen stärker im Vordergrund steht.
Die EMV von Leiterplatten ist ein weitreichendes und komplexes Fachgebiet, das Signalintegrität, Stromintegrität, Wärmemanagement, mechanische Einschränkungen und andere miteinander verbundene Faktoren umfasst. Leiterplattenentwickler müssen daher ein optimales Gleichgewicht zwischen mehreren Faktoren finden.
NCAB empfiehlt, bereits in einer frühen Phase der Entwicklung eng mit dem Leiterplattenlieferanten zusammenzuarbeiten, um jede Phase des Designprozesses zu optimieren. Diese frühzeitige Zusammenarbeit ist besonders bei komplexen Designs von entscheidender Bedeutung, da sie dazu beiträgt, potenzielle Risiken zu minimieren und die allgemeine Zuverlässigkeit zu verbessern.
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