Emissionsquellen auf der Leiterplatte EMV: Störsignale wirkungsvoll abschirmen (Teil 3)

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Bei der EMV spielt die Schirmung von Gehäusen und Leitungen eine wichtige Rolle. Diese Artikelserie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität bei Gehäusen, Leitungen und Steckverbindern zu gewährleisten. In Teil 3 geht es um die Dämpfung einer Emissionsquelle auf der Leiterplatte durch eine Absorberfolie (EMI-Patch).

Eine EMI-Absorberfolie, auch EMI-Patch genannt, wird verwendet, um lokale hochfrequente elektromagnetische Emissionsherde zu dämpfen oder sensible Schaltkreise vor elektromagnetischen Störungen zu schützen, die zu Fehlfunktionen führen könnten. Diese Patches bestehen in der Regel aus zwei Schichten, einer elektrisch leitenden wie einer Metallfolie und einer weiteren Schicht aus HF-absorbierendem Material wie Ferrit.

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EMI-Patches bieten eine flexible und wirksame Lösung für die Bewältigung elektromagnetischer Störungen, insbesondere in Situationen, in denen schnelle Abhilfe oder Änderungen ohne größere Umgestaltungen erforderlich sind. In folgenden Fällen ist die Verwendung einer Absorberfolie eine schnelle und elegante Lösung:

• Abschirmung empfindlicher Komponenten: Wenn bestimmte Komponenten in einem Schaltkreis besonders empfindlich auf elektromagnetische Umgebungsstörungen reagieren und einen lokalen Schutz benötigen. Beispiele sind hier die Abschirmung von Schnittstellen, Drähten auf Baugruppen, Leiterbahnen und Filter.

• Behebung von EMV-Problemen in bereits bestehenden Designs: Wenn ein elektronisches Gerät bereits entwickelt wurde und bei Tests EMV-Probleme entdeckt werden, können EMI-Patches angewendet werden, um diese Probleme zu entschärfen, ohne dass das gesamte System neu entwickelt werden muss.

• Verbesserung der Abschirmung von Gehäusen: Wenn die bestehende Abschirmung eines elektronischen Gehäuses (z. B. eines Metallgehäuses) unzureichend ist, können EMI-Patches zur Abdeckung von Nähten, Fugen oder anderen Schwachstellen, an denen elektromagnetische Energie ein- oder austreten könnte, angebracht werden.

• Reparaturen und Nachrüstungen vor Ort: In Situationen, in denen Geräte im Einsatz sind und EMV-Probleme entdeckt werden, können EMI-Patches als schnelle Lösung verwendet werden, um die Abschirmung zu verbessern, ohne dass eine umfangreiche Demontage oder Modifikation erforderlich ist.

• Vorübergehende Abschirmung bei der Prototypenerstellung: Während der Entwicklungs- und Prototypen-Phase können EMI-Patches vorübergehend verwendet werden, um die Wirksamkeit der Abschirmung zu testen, bevor ein endgültiges Design festgelegt wird.

Das Funktionsprinzip eines EMI-Patches beruht auf der Tatsache, dass eine Leiterbahn oder ein elektronischer Baustein (IC), die von AC-Strömen durchflossen werden, ein magnetisches Streufeld erzeugt, wie es in Bild 17 für einen IC dargestellt ist.

Das den Chip umgebende magnetische Feld kann leicht in benachbarte Stromkreise oder andere ICs einkoppeln, aber auch in Schnittstellenbereiche, Filter, Massezuführungen und so vom Gerät als Gleichtaktstörung abstrahlen. Dieser Mechanismus ist umkehrbar, d.h. Fremdstörer können so auch in den Schaltkreis gelangen und dort zu Fehlfunktionen führen.

Durch eine mechanische Abschirmung, die eine elektromagnetische Barriere bildet, kann das Feld in seiner Ausbreitung reduziert werden. Eine Möglichkeit bietet eine hybride Absorberfolie, wie in Bild 18 gezeigt.

Die hybride Absorberfolie kombiniert Absorbermaterial mit einer Aluminiumschicht und lässt sich dank einer Klebeschicht leicht aufbringen. Diese Kombination ermöglicht durch Mehrfachreflexionen eine höhere Dämpfung der Streufelder im Vergleich zu einer reinen Ferritfolie. Wird die Folie allein mit einer magnetischen Permeabilität im Bereich von µ_r = 100 eingesetzt, dämpft sie elektromagnetische Störungen effektiv.

Die Metallschicht trägt zusätzlich zur Dämpfung bei, indem sie Wirbelströme erzeugt, die durch die Ferritfolie dringen und magnetische Streufelder verursachen könnten. Ein Großteil dieser Felder wird durch die Folie zurück in das Absorbermaterial reflektiert und dort gedämpft. Wird die Metallschicht mit GND verbunden, fungiert sie als Abschirmung gegen elektrische Felder. Die Folie ist sowohl in isolierter als auch nicht isolierter Version erhältlich, wobei die nicht isolierte Version die erwähnte GND-Verbindung ermöglicht. Die Funktion des Abschirmmechanismus ist in Bild 19 dargestellt.

Evaluierung der Wirksamkeit eines EMI-Patches

Zur Evaluierung der Wirksamkeit des EMI-Patches wurden Experimente durchgeführt. Hierzu wurde ein breitbandiges Signal in eine Prüfleiterplatte eingespeist, die zum Aufzeigen der Wirksamkeit der Patches ein T-Filter und verschiedene gekoppelte und offene Leiterbahnenstrukturen hat. Den Messaufbau zeigt Bild 20.

Ein Kammgenerator erzeugt ein Spektrum von diskreten Amplituden im Frequenzbereich zwischen 20 und 1.500 MHz, ein nachfolgender Verstärker hebt den Pegel des Signals bis 1.000 MHz um 30 dB an, sodass der Pegel stark genug ist, um bei den Prüfungen eindeutige Ergebnisse zu erhalten. Das verstärkte Kammspektrum ist in Bild 21 dargestellt.

Bei dem verwendeten Gehäuse handelt es sich um ein „online“ erworbenes Stahlblechgehäuse, bestehend aus einer Bodenwanne und einer U-förmigen Abdeckung; beide rundum mit blauer Kunstharzfarbe lackiert. Die Vorder- und die Rückseite sind in weiße Kunststoffrahmen eingelegt, so dass alle Komponenten voneinander elektrisch isoliert sind und eine HF-taugliche Schirmung nicht zu erwarten ist.

Mit einem Spektrumanalysator, einer PIN-Probe und einer H-Feldsonde können die HF-Pegel auf der Leiterplatte und am Gehäuse gemessen werden. Die experimentell aufgebaute Leiterplatte zeigt Bild 22.

Im oberen Bereich der Baugruppe ist ein π-Tiefpass-Filter mit einer Grenzfrequenz bei ca. 36 MHz aufgebaut. Der mittlere Bereich enthält eine Leiterschleife, die mit einem 47-Ω-Widerstand abgeschlossen ist und im unteren Bereich ist eine beidseitig offene Leiterbahn im Abstand von 0,4 mm zur Leiterschleife angeordnet. In Bild 23 ist zur Verdeutlichung die Schaltung der Testleiterplatte gezeigt.

Die Einfügedämpfung im Frequenzbereich zwischen 20 und 100 MHz zeigt Bild 24, in Bild 25 ist die Dämpfung bis 1 GHz dargestellt. Die Einfügedämpfung wurde mit einem Netzwerkanalysator im 50-Ω-System gemessen.

Es zeigt sich im Filterbereich ab ca. 400 MHz eine starke Abnahme der Filterdämpfung, der Unterschied zwischen der Dämpfung bei ca. 100 MHz und 1 GHz beträgt über 18 dB. Ein Teil der Dämpfungsverluste ist auf die parasitären Effekte der Bauelemente zurückzuführen, ein Teil jedoch auch auf die „Überkopplung“ zwischen dem Ein- und Ausgang, verursacht durch die hohe Impedanz eines T-Filters am Ein- und Ausgang und auf die nahe Leiterbahnschleife.

Im nächsten Teil der Serie geht es um die Messungen zur Wirksamkeit. Die bisherige Diskussion zur Reduzierung der Störemission bezog sich auf die Kopplung zwischen Leiterbahnen und Komponenten auf der elektronischen Baugruppe. In Teil 5 der Artikelserie wird betrachtet werden, wie sich die beschriebenen Maßnahmen auswirken, wenn die Baugruppe in ein Gehäuse eingebaut wird. (kr)

Gehäuseschirmung in der Praxis

EMV: Störsignale wirkungsvoll abschirmen (Teil 2)

Elektromagnetische Verträglichkeit

EMV-Störsignale wirkungsvoll abschirmen: Grundlagen der Gehäuseschirmung (Teil 1)

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

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