EMV-stabile Hardware Der Einfluss von Oszillatoren und Taktgebern auf das EMV-Verhalten

Messungen an der Leiterplatte 2010 haben die Vermutung bestätigt: Quarz-Oszillatoren können EMV-Probleme verursachen. Dabei schneiden LVDS-Oszillatoren infolge differentieller, impedanzdefinierter Leitungsführung besser ab als klassische Oszillatoren. Fazit: Nicht erkannte Schwachstellen in Taktverteiler-Netzwerken können Funktionalität und Stabilität einer Baugruppe schwerwiegend beeinträchtigen.

Anbieter zum Thema

Jauch Quartz GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Eurocircuits GmbH

unitel IT-Innovation Gerhard Eigelsreiter

„Oszillieren“ wird weithin mit „schwingen, pendeln“ assoziiert, aber selten mit „schwanken“ in Verbindung gebracht. Werden jedoch in der Elektronik gebräuchliche Oszillatoren und Taktgeber unter EMV-Gesichtspunkten näher unter die Lupe genommen, wird man unverhofft mit Letzterem konfrontiert und findet sich abrupt auf schwankendem Boden wieder.

Quarz-Oszillatoren bieten die Möglichkeit, direkt Clock-Pins oder Eingangs-Pins von CPUs und FPGAs mit „spannungs-konformen“ Rechtecksignalen zu beaufschlagen. Auch zusätzliche Funktionen wie „Tristate“ und „Stop“ werden in der Regel unterstützt.

Neben sicherem Anschwingen und stabilem Schwingverhalten unterstützen sie im Vergleich zum Quarz unkritische Leiterplattenlayouts. So wird es in den Datenblättern der Hersteller beschrieben und so entspricht es auch der verbreiteten Meinung von Anwendern und Entwicklern. Leider ist dem schon lange nicht mehr so, eher das Gegenteil scheint der Fall zu sein.

Es mehren sich rapide die Schwierigkeiten, in der EMV-Prüfhalle im wahrsten Sinne des Wortes noch die Kurve zu kriegen. Der Volkssport, die EMV-Richtlinien eben gerade noch so einzuhalten, bekommt immer häufiger Seltenheitswert. Dafür konzentriert sich die Aufmerksamkeit um so stärker auf komplizierte Spießrutenläufe, nach dem Motto: Der Weg ist das Ziel.

Stabile Geräte Funktion und gute EMV sind miteiander verwoben

Das macht durchaus Sinn, solange das Ziel nicht völlig aus den Augen verloren wird oder bereits ist. Um selbiges zu erreichen müssen klare Zieldefinitionen vorliegen. Die alleinige Einhaltung von EMV-Richtlinien reicht bei weitem nicht aus. Vielmehr ist die stabile Funktionalität der gesamten Baugruppe oberste Priorität. Beliebte Kuschelkurse von Störabstrahlungswerten, die sich in nächster Nähe der EMV-Grenzlinien tummeln, sind extrem riskant, fördern Instabilitäten und bedürfen zu ihrer Beherrschung letztendlich zusätzlicher hoch komplexer Technologien und somit teurer aufwändiger Verfahren.

Was hat das mit besagten Oszillatoren zu tun? Nun, die „Physik der EMV“ ist leider weit davon entfernt, einfache und simple Lösungswege anzubieten, geschweige denn zuzulassen.

Anhand von Baugruppen aus dem Projekt „Die Leiterplatte 2010“ lassen sich mittels Messungen mit dem Spektrum-Analyzer N9000A CXA von Agilent interessante Ergebnisse herausholen und daraus vielversprechende Rückschlüsse ziehen.

meltemi-Baugruppe hat klassischen 66-MHZ-Oszillator und LVDS-Oszillator

Auf den meltemi-Baugruppen befinden sich Oszillatoren unterschiedlicher Herkunft. FPGAs bilden die Schaltzentrale. Das dabei eingesetzte VirtexII-Pro FPGA wird einerseits von einem klassischen 66-MHz-Oszillator mit 3,3-V-Betriebsspannung, einfacher impedanzdefinierter Leitungsführung mit Rückstrom über die zugehörige Massefläche, versorgt. Andererseits wurden für die schnellen RocketIO-Transceiver jitterarme LVDS-Oszillatoren mit differentieller Leitungsführung, mit Frequenzen von 125 MHz, sowie 156,25 MHz und 2,5-V-Betriebsspannung vorgesehen.

Der 66-MHz-Oszillator bedient hauptsächlich das Businterface FPGA <-> ARM7-MPU. Messungen in der EMV-Prüfhalle wiesen auf dieses Bauelement als möglichen potentiellen Störenfried hin. Das Interpretieren von Messerergebnissen, die in EMV-Prüfhallen ermittelt wurden, ist naturgemäß schwierig. Es liegt immer die Summe der Störabstrahlung aller aktiv beteiligten Halbleiterbauelemente zur Bewertung vor.

Erfreulicherweise gibt es auch andere Messinstrumentarien. Einen lokalen Eindruck kann man mittels µH-Feldsonde und Spektrumanalyzer gewinnen, zumindest wenn verschiedene Oszillatoren gleichzeitig auf dem Board ihre Dienste verrichten. Mittels zahlreicher Einzelmessungen an vermuteten kritischen IC-Pins, Signalleitungen und Steckern.

Mit einer Serie solcher Messungen wurden sowohl der 66-MHz-Oszillator, als auch mehrere 125-MHz-LVDS-Oszillatoren auf den Leiterplatte 2010 Boards näher untersucht.

Gravierende Unterschiede im EMV-Verhalten der beiden Oszillatoren

Die Vermutung, dass LVDS-Oszillatoren hinsichtlich EMV infolge differentieller, impedanzdefinierter Leitungsführung, zumindest besser abschneiden würden, lag auf der Hand. Dass allerdings die Unterschiede dermaßen gravierend ausfielen, ist mehr als bedenklich.

Die Ergebnisse der Messungen des 66-MHz-Oszillators in Bild 1 zeigen signifikante Oberwellenanteile bis zu 1 GHz. Während die Ergebnisse der Messungen des 125 MHz LVDS-SAW-Oszillators in Bild 2 erheblich geringere Werte (Beträge) bei gleichzeitig stark verminderten Oberwellenanteilen ausweisen. Ab 750 MHz ist praktisch schon Schluss.

Warum ist hier der Unterschied dermaßen gravierend? Die zur Untersuchung herangezogenen Boards sind von Haus aus mit breitbandig entkoppelten Stromversorgungslagen und berechneten Kondensatorgruppen ausgestattet.

Wie verhalten sich z.B. Evaluationboards, deren Stromversorgung nicht breitbandig entkoppelt sind? Sollten die Unterschiede nicht noch gravierender ausfallen? Taktgeber und -Verteiler bilden das Rückgrat moderner elektronischer Baugruppen. Nicht erkannte Schwachstellen in Taktverteiler-Netzwerken können Die Funktionalität und Stabilität schwerwiegend beeinträchtigen.

Detaillierte Untersuchungen folgen

Eine befriedigende Antwort ist ohne tiefer gehende und detailliertere Untersuchungen derzeit schwer zu bekommen. Weitere und umfangreichere Messungen wurden von den dafür zuständigen Autoren des Kompendium Die Leiterplatte 2010 eingeplant. In naher Zukunft werden entsprechende Beiträge veröffentlicht. Es bleibt also spannend.

Weitere Ergebnisse zeigen die Projektpartner im Praxisseminar - Die Leiterplatte 2010

*Gerhard Eigelsreiter, Inhaber der Firma unitel in Graz, ist der Entwickler der meltemi-Baugruppe. Die meltemi-Baugruppe ist als Leiterplatte 2010 bekannt.

(ID:338373)