Design-Tipp EMV-Konformität meistern! Störquellen – Teil 1

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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 1 geht es um potenzielle Störphänomene auf Leiterplatten.

Fließt ein elektrischer Wechselstrom I durch einen Draht, erzeugt er ein elektromagnetisches Feld H um den Draht herum. Dieses, z.B. durch einen differenziellen, also über der Zeit in seiner Amplitude wechselnden Strom dI/dt erzeugte magnetische Feld H(t), breitet sich als elektromagnetische Welle aus. Bild 1 zeigt das schematisch.

Aus der Formel für die elektromagnetische Feldstärke E im Fernfeld sind die Parameter erkennbar, von denen das Feld abhängt. Das sind die Frequenz f, die vom Stromfluss I aufgespannte Fläche A und der Abstand r zwischen dem Stromkreis und der „Antenne“, mit der die Feldstärke gemessen wird. Die Ausrichtung der Stromschleife (sinθ) sei hier vernachlässigt.

In unmittelbarer Umgebung (Nahfeld) koppelt das Magnetfeld H in benachbarte Stromkreise ein und kann dort Signalverfälschungen verursachen. Für diesen Fall kommt noch ein weiterer Parameter M12 hinzu, der die Stärke der Einkopplung bestimmt.

M12 ist die sogenannte Kopplungsinduktivität zwischen den beiden Stromschleifen. M12 kann durch die geometrische Eigenschaften der Schleifen bestimmt werden. Zum Beispiel, wenn die Schleifen eng nebeneinander liegen oder sich überlappen, wird die Kopplungsinduktivität tendenziell höher sein.

Die Begrenzung des elektromagnetischen Feldes um einen Leiter, insbesondere auf Leiterplatten, ist ein wichtiger Aspekt des Designs, um elektromagnetische Störungen zu minimieren und die Signalintegrität zu gewährleisten. Die Kombination verschiedener Maßnahmen ermöglicht es, das elektromagnetische Feld zu begrenzen und so unerwünschte Störungen zu minimieren.

Des Weiteren wird durch einige dieser Maßnahmen eine hohe Signalqualität gewährleistet, die eine sichere Funktion des Schaltkreises hinsichtlich des Signalflusses gewährleistet. Nachfolgend die wichtigsten Maßnahmen zur Vermeidung von potenziellen Störphänomenen auf Leiterplatten:

Der Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen

Empfindliche Leiterbahnen in ausreichendem Abstand von Leiterbahnen mit potenziellen Störquellen platzieren.

Empfindliche Leiterbahnen sind typischerweise analoge Signale (Sensorik, Audio, HF), Feedback-Signale von Schaltreglern, Optokoppler-Signale, generell Signale zu hochimpedanten Eingängen (z.B. Verstärker), alle Signale zu geräteexternen Schnittstellen.

Potenziell störbehaftete Leiterbahnen sind typischerweise Taktsignale, Schaltnetzteile „Hot-Knot“, unsymmetrische digitale Videosignale, alle Signale von geräteexternen Schnittstellen, Oszillatoren (Synthesizer), generell alle niederimpedanten Quellen mit schmalbandigen Signalen.

Die Art der Störquelle

Signalanstiegszeit, Pulsdauer, Tastverhältnis (DC – Duty Cycle) und Periodizität eines Signals haben signifikante Auswirkungen auf die Abstrahlungseigenschaften.

Kurze Signalanstiegszeiten führen zu einem breiteren Frequenzspektrum, da kurze Anstiegszeiten harmonische Frequenzen mit höheren Ordnungen erzeugen. Die Signalanteile mit höheren Frequenzkomponenten koppeln „leichter“ in benachbarte Schaltkreise und werden „leichter“ abgestrahlt.

Signale mit einem von 1:2 abweichendem Tastverhältnis umfassen neben ungeraden auch geradzahlige Harmonische. Je geringer der DC, desto höhere Amplituden haben die hohen Frequenzanteile, da sich die spektrale Zusammensetzung des Signals ändert.

Periodische Signale erzeugen harmonische Frequenzen basierend auf ihrer Taktfrequenz. Diese Signale haben in der Regel, bezogen auf die gleiche Bandbreite (z.B. 120 kHz), eine höhere Energiedichte und damit ein höheres Störpotenzial (z.B. Taktsignale im Vergleich zu Datenbussignalen). (kr)

Elektromagnetische Verträglichkeit

Die Anforderungen an die EMV-Konformität meistern!