Powerplanes in Leiterplatten Bei bestimmten Layout-Geometrien können Powerplanes zu ungewollten Antennen werden

Sogenannte „Powerplanes“ zur Verteilung der Betriebsspannungen in Leiterplatten sind heutzutage aus gutem Grund sehr verbreitet. Oft werden dabei jedoch Layout-Geometrien realisiert, die aus EMV-Sicht sehr problematisch sein können.

Anbieter zum Thema

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

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Die massive Ausbreitung der (immer schneller werdenden) Digitaltechnik führt leider auch zu einer Vielzahl von EMV-Problemen. Für die Minimierung solcher Probleme spielt unter anderem die korrekte Gestaltung der Stromversorgungssysteme in Leiterplatten eine wesentliche Rolle. Neben der richtigen Auslegung der DC-Quelle (DC/DC-Wandler, Linearregler etc.) kommt dem Layout der entsprechenden Kupferlagen besondere Bedeutung zu. Unter DC-Gesichtspunkten betrachtet, erscheint letzteres wenig aufregend. Leider ist ein wesentliches Merkmal digitalelektronischer Schaltungen ihre pulsförmige Stromaufnahme. So wird beispielsweise bei CMOS-Schaltungen sowohl auf der steigenden als auch auf der fallenden CLK-Flanke jeweils ein kurzer Strompuls aus dem Versorgungssystem entnommen.

Die Dauer dieses in erster Näherung dreiecksförmigen Pulses hängt ganz wesentlich von der (Flanken-)Geschwindigkeit des verwendeten Halbleiters ab und liegt bei heute gängigen ICs in der Größenordnung weniger hundert Picosekunden [1], Tendenz fallend! Die Beantwortung der funktionellen Fragestellung, wie solche Pulse erfolgreich bereitgestellt werden können, ist ein umfangreiches Thema und nicht Gegenstand dieses Beitrages.

Die Flankensteilheit spielt eine entscheidende Rolle

Stattdessen soll untersucht werden, welche Auswirkungen die hochfrequente Anregung der betroffenen Layoutstrukturen durch die periodisch auftretenden Strompulse unter EMV-Gesichtspunkten hat. Und gerade da spielt die Länge oder vielmehr die Kürze der Flanken eine zentrale Rolle: Bis zu der sogenannten Knickfrequenz weist das Amplitudenspektrum des Dreiecksimpulses eine konstante Amplitude über der Frequenz auf, um zu höheren Frequenzen mit 40 dB/Dekade abzunehmen (Bild 1). Da die Intensität der spektralen Komponenten jenseits der Knickfrequenz rapide abnimmt, kann diese als grober Anhaltspunkt zur Abschätzung der relevanten Bandbreite herangezogen werden.

Es gilt: fK = 1/π*τ

Unterstellt man beispielsweise eine Pulsdauer Tau = 250 ps ergibt sich eine Knickfrequenz von ca. 1,3 GHz. Mindestens bis zu dieser Frequenz finden sich folglich nennenswerte spektrale Anteile, mit denen das Powerplane-System angeregt wird. Die Frage, welche Pulsdauer hier zugrunde zu legen ist, hängt – ohne gezielte Einflussnahme – im Wesentlichen vom verwendeten Halbleiterbaustein und ggf. den Lastverhältnissen, jedoch kaum von der Taktfrequenz ab. Diese Überlegungen machen deutlich, dass der Betrieb digitaler Schaltkreise auch versorgungsseitig Vorgänge auslöst, die nach den Regeln der Hochfrequenztechnik zu betrachten sind.

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