EMV-gerechtes Leiterplatten-Design Entwurf optimierter EMV-Filter für die Praxis

Für den erfolgreichen Entwurf breitbandiger EMV-Filter ist es notwendig, das reale (Breitband-) Verhalten aller verwendeten Bauelemente zu berücksichtigen. Der richtige Weg kann dabei für verschiedene Bauteile durchaus unterschiedlich sein. Da die realen Abschlüsse des Filters seine Wirkung weitestgehend zunichte machen können, sind sie beim Entwurf unbedingt zu berücksichtigen. Abschließend wird der Entwurf messtechnisch überprüft und die Auswirkungen auf reale Filterabschlüsse gezeigt.

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

DCC Dirks Compliance Consulting

Eine sehr komfortable Methode zur Beschreibung von Ferrit-Bauelementen ist die Nutzung gemessener Zwei-Tor-S-Parameter [1]. Komfortabel ist dieser Ansatz vor allem aus zwei Gründen:

• 1. Die Entwicklung eines geeigneten Ersatzschaltbildes entfällt und
• 2. Das Ersatzschaltbild wird als Fehlerquelle ausgeschlossen.

Die Entwicklung geeigneter Ersatzbilder ist mitunter aufwändig und stößt bei der Beschreibung von Ferritbauelementen über sehr große Bandbreiten schnell an Ihre Grenzen. Wurde das Ersatzschaltbild nicht sorgfältig aufgebaut oder wird es außerhalb des vorgesehenen Frequenzbereichs angewandt, kann es schnell zu einer subtilen Fehlerquelle in der Simulation werden. Gemessene S-Parameter dienen als Grundlage bei Drosseln oder Spulen, um diese Bauelemente zu beschreiben. Da die relevanten Impedanzen dieser Bauelemente üblicherweise in der Größenordnung oder deutlich über der Referenzimpedanz der verwendeten Messgeräte (typ. 50 Ω) liegen, ist ein korrekt gemessener S-Parameter nicht besonders schwierig, parasitäre Komponenten des verwendeten Messaufbaus spielen keine wesentliche Rolle für die spätere Applikation. Kurz gesagt: Die üblicherweise von den Bauelemente-Herstellern bereitgestellten S-Parameter-Daten von Drosseln oder Spulen können sorglos in die Simulation eingebunden werden!

Gemessene S-Parameter nicht für Kondensatoren geeignet

Neben Drosseln kommen in EMV-Filtern auch Kondensatoren zum Einsatz. Mittlerweile ist hinlänglich bekannt, dass Kondensatoren sich nicht wie reine Kapazitäten verhalten. Ein Zusammenspiel aus Kapazität, parasitärer Induktivität und ohmschen Verlusten zeigt ein Verhalten, dass in erster Nährung mit dem eines Serienresonanzkreises (RLC) vergleichbar ist. Dabei ist es von enormer Bedeutung, für die parasitären Elemente die richtigen L- und R-Werte anzusetzen.

Um sich nun nicht den Kopf über parasitäre Elemente zerbrechen zu müssen, und einer möglichen Fehlerquelle elegant aus dem Wege zu gehen, wäre es nach dem oben gesagten durchaus nahe liegend, auch für die Beschreibung von Kondensatoren gemessene S-Parameter zu verwenden. Wie so oft, steckt leider auch hier der Teufel im Detail: Besonders bei den heute gebräuchlichen SMD-Kondensatoren ist die effektive parasitäre Induktivität zum Teil vom verwendeten Kondensator und zum Teil von Layoutgeometrie und Lagenaufbau abhängig. In vielen Fällen dominiert dabei der letztgenannte Anteil.

Aus physikalischer Sicht ist dies durchaus nahe liegend: Die Gesamtinduktivität ist zunächst die Eigenschaft eines geschlossenen Stromkreises und lässt sich als partielle Induktivität – also beispielsweise von einem Kontakt des Kondensators zum anderen — nur dann korrekt an geben, wenn der gesamte Stromkreis bekannt ist [vgl. 2].

Da der sich jedoch erst bei der Entwicklung der konkreten Applikation ergibt, ist genau diese Bedingung nicht erfüllt. Deshalb ist genau diese Bedingung nicht erfüllt. Die Vorstellung von einer „Kondensator-Eigeninduktivität“ ist insofern äußerst irreführend. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass beim Einsatz gemessener Kondensator-S-Parameter nur dann auf eine korrekte Prognose der späteren Filterdämpfung gehofft werden darf, wenn eine vergleichbare Layoutgeometrie wie bei der Messung der S-Parameter verwendet wird. In der Regel wird diese jedoch nicht bekannt und/oder in der jeweiligen Applikation nicht realisierbar sein, was diesen Ansatz wenig attraktiv macht.

Korrekte Beschreibung verwendeter Kondensatoren

Im Interesse einer über große Bandbreiten präzisen Simulation, müssen sowohl Kondensator- als auch Layoutgeometrie berücksichtigt und beispielsweise in Form geeigneter Ersatzschaltbilder in die Berechnungen aufgenommen werden. Diese Aufgabenstellung ist bereits aus einem anderen Anwendungsbereich bestens bekannt: Bei der Entwicklung hochleistungsfähiger und EMV-günstiger Power-Systeme (Power-Planes) ist die korrekte Beschreibung der verwendeten Kondensatoren für die verlässliche Simulation der Wechselwirkungen von Planes und Bauelementen unerlässlich.

Softwaretools, die für die Auslegung solcher Powersysteme entwickelt wurden, bieten sich also gewissermaßen für die Entwicklung von breitbandigen EMV-Filtern an, da die Technologie für die präzise Simulation des „Querzweiges“ bereits vorhanden ist. Darüber hinaus ergibt sich im Zusammenhang mit derartigen Powersystemen eine konkrete Anwendung für solche Filter: Die Entkopplung des Powersystems von seiner Umgebung. So könnte die 5-V-Spannung über einen Steckerpin aus dem Backplane auf die Leiterplatte kommen, und genau an dieser Stelle soll breitbandig Dämpfung eingefügt werden, um Störungen von außen nicht auf die Platine zu lassen oder auf der Platine erzeugte Störungen von Backplanes oder Kabeln fernzuhalten. In diesem Spezialfall bestünde der Querzweig des Filters aus dem fertig entkoppelten 5V-Powersystem, der Längszweig aus einer möglichst gut ausgewählten Ferritdrossel (Bild 1).

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