Design-Tipp EMV-Konformität meistern! Filter an Schnittstellen – Teil 9

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Heitec AG

EMV gehört zu den meistunterschätzten Themen im Entwicklungsprozess elektronischer Geräte. Diese Artikelserie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität von Produkten zu gewährleisten. In Teil 9 unserer Serie geht es um Filter an Schnittstellen.

Ein Schaltplanauszug eines Schnittstellenfilters (Tiefpass) war in Bild 9 (Tipp 5) dargestellt. Bild 15 zeigt aber auch die Problematik des Massethemas: Ziel ist es, eine „EMV-feste“ Schnittstelle zu bekommen, damit an der Schnittstelle angeschlossene Kabel weder Störungen in die Elektronik einkoppeln noch von der Elektronik erzeugte Störungen abstrahlen.

Betrachten wir zunächst nur den Schnittstellenbereich selbst. Damit der Filter in Bild 15 links oben funktioniert, müssen sowohl der Kondensator C30 als auch der SMT-Varistor D1 einen Massebezug, also einen GND-Anschluss haben (SGND im Schaltbild). Sowohl die hochfrequenten Störströme von der Board-Elektronik als auch transiente Überspannungen von der Schnittstellenseite kommend, müssen über diese Masseanschlüsse abgeleitet werden.

Bezugspunkt sind das metallische Gehäuse und, soweit vorhanden, der Kabelschirm des Schnittstellenkabels. Jedes mΩ an Übergangswiderstand und jedes nH an zusätzlicher parasitärer Induktivität beeinträchtigt die Filterwirkung. Dieser Masseanschluss kann, wie in Bild 15 rechts oben gezeigt, über die Board-Befestigung erfolgen, was in der Regel zu zusätzlichen parasitären Impedanzen (mΩ, nH) führt.

Oder der Anschluss kann über die Steckverbinder-Buchse erfolgen, wie das in den beiden unteren Bildern in Bild 15 dargestellt ist. Diese Masseverbindung ermöglicht einen niederimpedanten Anschluss zwischen Gehäuse, Kabelschirm und Filter.

Wenn kein Metallgehäuse vorhanden ist, wird dennoch für eine „funktionsfähige“ EMV und eine „saubere“ Signalintegrität im Schnittstellenbereich ein metallisches Anschlussfeld oder eine umfangreiche Masseschirmung auf der Leiterplatte notwendig sein. Diese kann zwar ein metallisches Gehäuse nicht ersetzen, aber, in Abhängigkeit der Elektronik, einen Kompromiss bieten. Warum die niedrige Impedanz zwischen Filter und Masse so wichtig ist, zeigt die Abschätzung in Bild 16.

Eine elektrostatische Entladung am Schnittstellenanschluss ANA_IN1 erzeugt einen Entladestrom von 10 A (ESD-Test im Labor bis zu 30 A!). Der SMT-Varistor begrenzt einen Spannungsabfall auf ca. 20 V (Klemmspannung des Varistors). Durch die parasitäre Induktivität zwischen dem Varistor und dem Gehäuseboden von hier nur 10 nH, entsteht ein Spannungsabfall von 100 V.

Zusammen mit der Varistorspannung liegt somit am Eingang des Controllers eine Spannung von 120 V an. In den meisten Fällen wird der Controller durch die zu hohe Spannung zerstört! Nicht hinzugerechnet sind hier Übergangswiderstände zwischen Board und Verschraubung, die noch einen zusätzlichen Spannungsabfall verursachen.

Noch eine Erklärung bezüglich ESD: Die Referenz, d.h. die Bezugsmasse für eine elektrostatische Entladung ist der Fußboden. Die am elektronischen Gerät entladene Energie fließt kapazitiv über den Gehäuseboden des Gerätes zum Fußboden ab. Bei einem Gerät ohne Metallboden ist somit die Gerätemasse die GND-Lage der Leiterplatte! (kr)

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* Dr. Heinz Zenkner ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV.

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