Über Sinn und Unsinn separater GND-Strukturen für leistungselektronische Komponenten

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DCC Dirks Compliance Consulting

Frequenzabhängige Effekte dominieren

Ab einer Frequenz von etwa 1kHz lässt sich allerdings ein leichter Anstieg der Impedanz beobachten, der mit der ohmschen Impedanzkopplung nicht zu erklären ist. Dieser Effekt ist darauf zurück zu führen, dass die induktive Impedanz der GND-Plane mit zunehmender Frequenz immer mehr ins Gewicht fällt, und – dank ihrer frequenzabhängigen Zunahme – den ohmschen Anteil sogar ab ca. 10kHz „überholt“.

Bild 3a: Oberflächenstrom auf der GND-Plane bei 10Hz
(Bild: Dirks Compliance Consulting)

Die oberhalb ca. 10kHz auftretende Abnahme der Nebensprechdämpfung ist mit solch einfachen schaltungstechnischen Beschreibungen nicht zu erklären. Aufschluss gibt an dieser Stelle erneut die HFSS-Simulation: In Bild 3a ist der Oberflächenstrom auf der Oberseite der GND-Plane als Falschfarben- (Intensität) und Vektor-Darstellung (Richtung) zu sehen.

Sehr deutlich ist zu erkennen, dass der Rückstrom in der GND-Plane bei einer Frequenz von 10Hz (Bild 3a) ziemlich gleichmäßig über die Fläche verteilt ist.

Bei 10MHz (Bild 3b) hingegen, ist der Strom aufgrund des Proximity-Effekts schon recht deutlich unter der Leiterbahn gebündelt. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Abstand von der aktiven Leitung immer weniger Strom im Kupfer der GND-Plane fließt und folglich die Impedanzkopplung nachlässt.

Ergänzendes zum Thema

Die Seminarreihe EMV-Praxis 2014

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Bild 3b: Oberflächenstrom auf der GND-Plane bei 10MHz
(Bild: Dirks Compliance Consulting)

Diese Abnahme der Kopplung wird dann bei einigen zehn kHz durch die dominant werdenden Feldkopplungen zwischen den Leiterbahnen beendet. Ab da ist die typische lineare Abnahme der Nebensprechdämpfung zu beobachten.

Wo genau dieses Minimum liegt ist von einer Reihe von Parametern abhängig. Wie in Bild 2 zu sehen ist, reduziert beispielsweise dickeres Kupfer (blaue Kurve, 70µm Cu) die Impedanzkopplung und verschiebt das Minimum zu niedrigeren Frequenzen. Alle relevanten Parameter hier „durchzuspielen“ würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen.

Wie sinnvoll sind separate GNDs?

Da das hier gezeigte Beispiel durchaus als typisch bezeichnet werden kann, ist es sinnvoll, daraus ein paar grundsätzliche Schlussfolgerungen abzuleiten:

Die Abschätzung der Nebensprechdämpfung über die DC-Impedanzkopplung liefert einen guten Anhaltspunkt für die im unteren Frequenzbereich zu erwartenden Dämpfungswerte.

Die in diesem Frequenzbereich zu erwartende Nebensprechdämpfung liegt in der Größenordnung von 100dB – wen stört’s?

Die Schaltfrequenz leistungselektronischer Komponenten liegt typischerweise bei 100kHz (+/–), das zugehörige Spektrum folglich in einem Frequenzbereich, wo die Impedanzkopplung keine Rolle mehr spielt. Wozu dann separate GNDs?

Obwohl die aufgeführten Vergleichsrechnungen und Betrachtungen an der Richtigkeit der Simulationsergebnisse kaum Zweifel lassen, wurde die Nebensprechdämpfung an dem in Bild 1 gezeigten Prüfling auch messtechnisch ermittelt. Da die Messung so hoher Dämpfungswerte (ebenso wie die Simulation) eine ziemlich schwierige Aufgabe ist, wurde die externe Beschaltung des Prüflings im Interesse der Qualität der Messergebnisse geringfügig verändert.

Bild 4: Ergebnis der Messung S31
(Bild: Dirks Compliance Consulting)

Aufgrund dieser veränderten Beschaltung liegt der bei DC zu erwartende Dämpfungswert nun bei –90dB. Das in Bild 4 dargestellte Messergebnis liegt bei DC um gut 3dB daneben, bei höheren Frequenzen sind die Abweichungen teils noch etwas größer. Letzteres liegt u.a. daran, dass bestimmte Fehler des Messaufbaus nicht herausgerechnet bzw. kalibriert wurden um den Aufwand in Grenzen zu halten.

Vor diesem Hintergrund ist das Messergebnis als zufriedenstellend zu betrachten, spiegelt es doch den erwarteten Frequenzgang der Dämpfung recht gut wieder. Mehr zu diesem Thema und zu vielen anderen EMV-Fragen sowie die Termine der Seminarreihe EMV-Praxis 2014 finden Sie im Internet unter www.emv.biz.

* Nils Dirks ist Inhaber von Dirks Compliance Consulting und Referent der Seminarreihe EMV-Praxis

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