Elektromagnetische Verträglichkeit EMV-Konformität meistern! Signalintegrität und PCB-Design – Teil 3

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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 3 geht es um Leiterbahntopologien.

Die meisten Leiterbahnen benötigen keine definierte Impedanz. Bei nicht Impedanz-kontrollierten Leiterbahnen sollte eine Optimierung der Leiterbahnführung und Leiterbahnbreite nach technologischen Gesichtspunkten erfolgen.

Neben der Stromtragfähigkeit und der Wärmeableitung sind das die Abschwächung von Störsignalen durch niederimpedante (breite) Signalbahnen, das Einbetten von HF-kritischen Leiterbahnen durch beidseitige Masse-Schirmflächen (Bild 5). Die Schirmflächen müssen alle 3 bis 4 mm zur Masselage durchkontaktiert werden. Zwischen Leiterbahnen aus verschiedenen Funktionsbereichen muss ein Abstand sein.

Komponenten und Bauelemente sollten so platziert werden, dass eine „sinnvolle“ Topologie entsteht. Diese ist am besten aus einem Stromlaufplan erkennbar, der den Signalfluss (Signale, Takt, Datenbusse, …) erkennen lässt. „Stromlaufpakete“, die nur einen Baustein pro Seite darstellen, sind hierzu ungeeignet, in diesem Fall sollte eine Blockschaltung mit Signalfluss angefertigt werden.

Differenzielle Signalpaare – die Topologien

Differenzielle Signalpaare reduzieren die Anfälligkeit für elektromagnetische Einflüsse. Das dazu notwendige symmetrische Routing sorgt für gleiche Einflüsse auf benachbarte Leiterbahnen und reduziert so die elektromagnetische Abstrahlung von Signalanteilen und erhöht die Störfestigkeit gegen äußere Einflüsse. Eine Übersicht über gängige Topologien zeigt Bild 6; in Tabelle 2 sind die Vor- und Nachteile gegenübergestellt.

„Microstrip“-Leitungen (Mikrostreifenleitungen) bieten als eine von zahlreichen Leiterbahn-Topologien ein einfacheres Design und Layout im Vergleich zu „Stripline“ (Streifenleitung). Die Signalausbreitungsdauer ist kürzer. Nachteilig sind eine höhere Störanfälligkeit (Abstrahlung, Kopplung, Einstrahlung) und eingeschränkte Anwend­barkeit bei sehr hohen Frequenzen.

„Differential Pair“ verbuchen als Plus verringerte elektromagnetische Störungen wegen eines symmetrischen Signals, als Minus ein komplexeres Design wegen der Impedanz-Symmetrie.

„Coplanar Waveguides with GND“ (koplanare Wellenleiter mit Masse) sind weniger störanfällig. Durch ihre gute Entkopplung von anderen Leiterbahnen eignen sie sich gut für HF-Anwendungen. Nachteilig ist ihre höhere Dämpfung im Vergleich zu einigen anderen Topologien. Links- und rechtsseitige Masse muss in kurzen Abständen zur GND-Lage durchkontaktiert werden.

„Edge Coupled Coplanar Differential Pair Waveguides with GND” sind ebenfalls weniger störanfällig und besitzen eine gute Entkopplung zu anderen Leiterbahnen. Sie eignen sich gut für eine symmetrische, impedanzkontrollierte HF-Signalübertragung. Nachteile sind die links- und rechtsseitige Masse, die in kurzen Abständen zur GND-Lage durchkontaktiert werden muss, sowie ein komplexeres Design wegen der Impedanz-Symmetrie.

„Stripline“ (Streifenleitung) bietet eine gute Abschirmung vor äußeren Einflüssen und eignet sich daher für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Ungünstig ist das komplexe Design. Außerdem sind durchgehende Schirmlagen und Vias zu Komponenten erforderlich.

„Differential Stripline Edge Coupled“ zeichnet sich durch eine verbesserte Impedanzkontrolle und geringe Einkopplung von äußeren Feldern aus, erfordert aber ein komplexeres Design mit durchgehenden Schirmlagen und Vias zu Komponenten.

„Differential Stripline Broadside Coupled“ sorgt für eine geringe Einkopplung von äußeren Feldern und bietet eine sehr gute differenzielle Signalkopplung wegen breitflächiger Leiterbahnkopplung. Nachteil: Impedanzkontrolle wegen vertikaler Unsymmetrie zu Bauteileanschlüssen schwierig und erfordert Vias zu Komponenten.

Die Leiterbahntopologie hängt von der Anwendung, dem Grad der Signalintegrität, dem Frequenzbereich und der Anforderung an die Schnittstellen ab. Eine symmetrische Signalübertragung und eine in Masse eingebettete Leiterbahntopologie sind zu bevorzugen.

In Teil 4 geht es um die korrekte Terminierung. (kr)

Elektromagnetische Verträglichkeit

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

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