EMV-Praxis Über Sinn und Unsinn separater GND-Strukturen für leistungselektronische Komponenten

Um Störungen zu vermeiden werden beim Aufbau elektronischer Schaltungen häufig separate GND-Strukturen für leistungselektronische Komponenten vorgesehen. Wie sinnvoll ist diese Vorgehensweise?

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Aus Furcht vor möglichen „Störungen“ werden beim Aufbau elektronischer Schaltungen häufig separate GND-Strukturen für leistungselektronische Komponenten (Schaltregler, DC-DC-Wandler etc.) vorgesehen. Dieser Ansatz kann nur darauf abzielen, Verkopplungen innerhalb einer gemeinsamen GND-Struktur zu vermeiden, also das Nebensprechen (X-Talk) zu reduzieren. Da eine Zerteilung des GND-Systems immer auch Nachteile mit sich bringt, stellt sich die Frage: „Brauche ich das wirklich?“ Dieser Beitrag gibt hierauf Antworten.

Zunächst einmal gilt es zu verstehen, welcher Mechanismus sich hinter einer möglichen Verkopplung über eine gemeinsame GND-Struktur verbirgt. Zum besseren Verständnis dieser Effekte wurde der in Bild 1 gezeigte Prüfling mit Hilfe des 3D-Field-Solvers Ansys HFSS V.15 (Handbuch HFSS V.15, www.ansys.com) untersucht. Zudem wurden Messungen zur Validierung der Ergebnisse durchgeführt. Auf der Testleiterplatte befinden sich zwei parallele Leiterbahnen, die mit der durchgehenden GND-Plane auf der Unterseite der Leiterplatte zwei Mikrostreifenleitungen (microstrips) mit einem Wellenwiderstand von ca. 50Ω bilden.

Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen wurde die Nebensprechdämpfung zum nahen Ende (NEXT) der passiven Leitung betrachtet (S31): Es wird ermittelt, wie viel von der in das linke Ende von Leitung 1 eingespeisten Leistung am ebenfalls linken Ende von Leitung 2 ausgekoppelt wird. Die rechten Enden der Leitungen sind dabei in 50Ω terminiert. Auf das Nebensprechen zum fernen Ende (FEXT bzw. S41) wird hier nicht weiter eingegangen, da es kaum zusätzliche Erkenntnisse bringt.

Kopplungsmechanismus per GND-Impedanz

Die mittels HFSS-Simulation ermittelte Nebensprechdämpfung ist in Bild 2 (rote Kurve: 35µm Cu) zu sehen: Im untersten Frequenzbereich von DC bis etwa 1kHz beträgt diese praktisch konstant –100dB. Da Feldkopplungen vom dH/dt bzw. dE/dt abhängig sind, nehmen sie mit der Frequenz zu, und kommen hier folglich nicht als mögliche Ursache des Nebensprechens in Frage.

Damit bleibt als möglicher Kopplungsmechanismus nur noch die Impedanzkopplung übrig: Der Rückstrom des in Leitung 1 eingespeisten Signals verursacht auf dem Kupferwiderstand der GND-Plane einen Spannungsabfall. Da dieselbe GND-Plane auch als Rückstrompfad der zweiten Leitung dient, bildet dieser Spannungsabfall quasi eine Spannungsquelle im Stromkreis der zweiten Leitung.

Dieser ohmsche Spannungsabfall ist nicht frequenzabhängig, was die konstante Nebensprechdämpfung in diesem Frequenzbereich erklärt. Unter der Annahme, dass sich der Strom gleichmäßig über den Leiterquerschnitt verteilt, lässt sich diese Kopplung abschätzen:

Die koppelnde Impedanz ergibt sich als ohmscher Widerstand der GND-Plane aus Leiterquerschnitt, -länge und spezifischem Widerstand. Beim hier betrachteten Prüfling: 800µΩ. Beispielhaft soll in Leitung 1 eine Leistung von 1 Watt (+30dBm) eingeprägt werden. An 50Ω entspricht dies einem Strom von 141mA, der auf einem GND-Widerstand von 800uΩ einen Spannungsabfall von 113µV verursacht. Diese „Quelle“ treibt einen Strom von 1,13µA durch die Serienschaltung der beiden 50Ω-Terminierungen der passiven Leitung 2.

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