Für manche Ingenieure treten EMV-Probleme völlig überraschend auf, entsprechend schwierig gestaltet sich die Lösung. Ein Cypress-Kunde aus der Infotainment-Branche versuchte beispielsweise ein System zu entwerfen, das Videobilder seriell an TFT-LCD-Bildschirme übermittelt. Auf den ersten Blick waren alle EMV-Anforderungen erfüllt: die Kabel waren geschirmt und fachgerecht an Masse angeschlossen. Die Videoquelle war ebenfalls ordnungsgemäß geerdet. Dennoch rasselte dieses System durch alle EMV-Tests.

Quell des Übels bei diesem Projekt war Strahlung, die der Grundfrequenz und deren Vielfachen des Parallel-Seriell-Wandlerchips entsprach. Der Entwickler musste erst die Videoerzeugung und die Serialisierung besser voneinander entkoppeln und terminieren, eine echte Massefläche schaffen und die Erdschleifen berücksichtigen. Mit diesen Ergänzungen waren seine EMV-Pro­bleme im Handumdrehen gelöst – das hätte er einfacher haben können. Der folgende Leitfaden enthält Hinweise, wie Hardwareingenieure EMV-Probleme bereits in der Entwicklungsphase der Platine vermeiden und ein System ohne EMV-Funktionsstörungen erhalten.

Funkverbot

Die Taktraten, Clock-Frequenzen und Busdatenraten steigen und mit ihnen werden die Konstruktion und das Layout von Leiterplatten zu einer immer größeren Herausforderung. Mit den richtigen Design-Regeln lassen sich aber bereits beim Entwurf viele Probleme vermeiden.

Gute Masse

Der Schutz vor EMV-Problemen beginnt beim Erdungssystem. Es braucht einen geringen induktiven Widerstand: Wer die Massefläche auf einem Board maximiert, senkt damit die Induktivität der Masse innerhalb des Systems und verringert die elektromagnetischen Emissionen sowie das Übersprechen.

Signale können mit verschiedenen Methoden an Masse angeschlossen sein. Bei einer schlechten Platinenkonstruktion sind die Komponenten willkürlich an verteilte Massepunkte angeschlossen. Das führt zu einem hohen induktiven Widerstand der Masse und verursacht unweigerlich EMV-Probleme. Viel besser ist eine komplette Massefläche: diese sorgt für die geringste Impedanz, wenn der Strom wieder zu seiner Quelle zurückfließt.

Eine Massefläche erfordert jedoch eine eigenes Platinen-Layer, was bei zweilagigen Leiterplatten unter Umständen nicht machbar ist. In diesem Fall empfehlen sich Erdungsgitter (Bild 1a). Die Induktivität der Masse hängt dann vom Abstand zwischen den einzelnen Gitternetzen ab.

Einmal Erde und zurück

Eine große Rolle spielt auch die Art, wie ein Signal zur Systemerde zurückkehrt. Wenn es einen längeren Weg nimmt, erzeugt das Signal eine Erdschleife, die eine Antenne bildet und Energie abstrahlt. Deshalb sollte jede Leiterbahn, die Strom zurück zur Quelle transportiert, den kürzesten Weg nehmen und sie muss direkt zur Massefläche laufen.

Bild 1: Ein Erdungsgitter (a) löst EMV-Probleme, wenn man kein eigenes Masse-Layer einführen kann. Der Masse-Anschluss sollte möglichst direkt erfolgen (b). Manchmal braucht man sogar einen Faradayschen Käfig (c).

Bild 1: Ein Erdungsgitter (a) löst EMV-Probleme, wenn man kein eigenes Masse-Layer einführen kann. Der Masse-Anschluss sollte möglichst direkt erfolgen (b). Manchmal braucht man sogar einen Faradayschen Käfig (c). Cypress

Es ist nicht ratsam, zuerst alle einzelnen Massen miteinander zu verbinden und diese dann an die Massefläche anzuschließen. Das vergrößert die Stromschleife sowie die Wahrscheinlichkeit des so genannten Ground Bouncing (induktives Übersprechen von Masse zu Masse). Bild 1b zeigt, wie man es richtig macht.

Ein Faradayscher Käfig ist eine weitere gute Möglichkeit, um EMV-Probleme zu verringern (Bild 1c). Hierzu muss die Masse an die komplette Peripherie der Leiterplatte angeheftet sein und außerhalb dieser Begrenzung darf kein Signal verlaufen. Dieser Mechanismus begrenzt die Emissionen und Interferenzen von und zur Platine innerhalb und außerhalb des Käfigs.

Sauber trennen

Die Komponenten auf der Platine müssen entsprechend ihrer Funktionalität gruppiert sein, zum Beispiel analog, digital, Stromversorgung, Schaltkreise mit langsamer oder solche hoher Übertragungsgeschwindigkeit. Die Leiterbahnen einer jeden Gruppe sollten nur in dem ihnen zugewiesenen Bereich verlaufen. Muss ein Signal von einem Subsystem in ein anderes gelangen, sollte man am Übergang einen Filter einsetzen.

Auch die korrekte Anordnung der Leiterplattenschichten ist aus EMV-Sicht bedeutend. Falls mehr als zwei Schichten zum Einsatz kommen, sollte eine komplette Schicht als Massefläche dienen. Bei einer Leiterplatte mit vier Schichten sollte die Schicht unter der Massefläche als Stromversorgungsebene fungieren (Bild 2, oben). Dabei muss der Entwickler sorgfältig darauf achten, dass sich die Massefläche stets zwischen den Leiterbahnen für Hochfrequenz­signale und der Stromversorgungsebene befindet. Bei Leiterplatten mit nur zwei Schichten, auf denen keine der Schichten komplett als Massefläche dienen kann, sollte man auf Erdungsgitter zurückgreifen. Falls keine separate Stromversorgungsebene genutzt wird, sollten die Erdungsleiterbahnen parallel zu den Stromleiterbahnen verlaufen, um die Stromversorgung nicht zu beeinträchtigen.

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