EMV Richtlinien für Leiterplattendesign

Elektromagnetische Störungen und Interferenzen spielen eine zentrale Rolle für nahezu jedes Leiterplatten-Design. Deren Beachtung in der Layout-Phase kann einen großen Beitrag zur Vermeidung zahlreicher Probleme leisten. Netzteile erzeugen Störwellen, welche die Leistungsfähigkeit eines Designs beeinträchtigen und mit anderen Geräten interferieren können. Signale selbst können miteinander interferieren und die Qualität des Systems senken.

 

Zu wissen, wie das System funktioniert, wie die Störsignale verlaufen und wo sich die empfindlichen Leitungen mit einem geringen Signal/Rausch-Verhältnis in Relation zueinander befinden, kann dabei helfen, das Platinen-Layout zu optimieren und Probleme an späterer Stelle zu verhindern. Die EMV kann im Nachhinein mit Filtern an rauschintensiven Punkten bzw. mit Metallgehäusen zur Abschirmung verbessert werden. Diese Lösungen können sich jedoch als recht kostspielig herausstellen und aufgrund weiterer Prüfungen und Arbeiten an der Platine mehr Zeit für die Entwicklung erfordern. Da Umgebungseinflüsse und Steckverbinder eine Schlüsselrolle in Sachen EMV spielen, können diese eine Verlegung wichtiger E/A-Anschlüsse erforderlich machen. Die Beachtung von EMV Effekten direkt zu Entwicklungsbeginn kann die Qualität des Endproduktes wesentlich erhöhen und beugt unangenehmen Überraschungen vor.

 

Stromversorgung

Das Layout der Platine bestimmt über Erfolg oder Misserfolg eines jeden Netzteils, von der Funktion, über EMV bis hin zu dem thermischen Verhalten. Die Entwicklung eines Schaltnetzteils ist nicht sehr schwierig, wird jedoch oftmals erst zu spät in Angriff genommen.

 

Ein gutes Layout für den ersten Prototypen erzeugt keine zusätzlichen Kosten, kann jedoch Einsparungen wichtiger Ressourcen für EMV-Filter, mechanische Abschirmung, EMV-Prüfzeit und PCB-Laufzeiten erzielen. Schaltnetzteile können Abstrahlungen auf sehr naheliegenden Frequenzen erzeugen; ein gutes Layout kann jedoch den Bedarf an Abschirmung überflüssig machen.

 

Die EMV-Probleme stammen von schnell wechselnden Stromschleifen; die Verhinderung dieser Schleifen bzw. deren Verlangsamung kann bereits den Unterschied im Design ausmachen. Verschiedene Netzteilarten, wie Abwärts- und Sperrwandler, erzeugen verschiedene Wechselstromschleifen; deren sorgfältige Anordnung, manchmal sogar in verschiedene Layer einer Leiterplatte, kann schon sehr hilfreich sein. So können Abstrahleffekte abgeschirmt und der Bedarf an Filtern und kostspieligen Metallgehäusen minimiert werden. Sicherzustellen, dass die störenden Stromschleifen abseits der Durchkontaktierung verschiedener Layer und sensibler Leitungen mit geringem Signal/Rausch-Verhältnis liegen, trägt ebenso dazu bei, den Einfluss der Versorgungsleitung auf das Gesamtsystem zu verringern.

 

Signalleitungen

Das größte Problem für Signalleitungen sind die Störungen der E/A-Pins, die oftmals eine gute Antenne bilden. In einem Synchrondesign liegen die gesamten Signalanschlüsse an ein und demselben Platinen-Rand, was wiederum große Störspitzen in regelmäßigen Intervallen erzeugen kann. Mit immer höheren Taktfrequenzen gewinnt die Beachtung dieser Signale zunehmend an Bedeutung bei der Platinen-Entwicklung.

 

Kapazitives und induktives Übersprechen tritt an parallel verlaufenden Leitungen auf, selbst auf kurzen Strecken. Das Störsignal ist proportional zu der Distanz der parallel verlaufenden Leitungen, sowie zur Frequenz, zur Amplitude der Spannungsschwankungen an der Quelle, zum Widerstand der betroffenen Komponente, und umgekehrt proportional zu dem Trennungsabstand. 

 

Dieser Effekt kann minimiert werden, indem rauschintensive Leitungen von empfindlicheren Leitungen ferngehalten werden, und indem verhindert wird, dass diese am Außenrand der Platine verlaufen. Rauschintensive Leitungen zusammenzufassen und mit Masseleitungen zu umschließen, wird ebenso dazu beitragen, Störsignale zu reduzieren, da Kopplungen bevorzugt mit Masseleitungen stattfinden. Dies kann insbesondere für die E/A-Anschlüsse von Bedeutung sein, bei denen Schaltvorgänge Rauschen erzeugen, das aus dem System ausstrahlen kann.

 

Signale, die von derartigen Störgeräuschen beeinträchtigt werden können, sollten stets über Erdungsleitungen dazwischen verfügen. Somit werden Widerstand und Spannung der Störgeräusche sowie betroffene Abstrahlungsbereich minimiert.

 

Takt-Schaltkreise

Als dritte Rauschquelle tritt der Regelkreis des Oszillators auf, in dem der Oszillator Rail-to-Rail schwingt. Zusätzlich zur Grundfrequenz werden ausgangsseitig Oberschwingungen registriert. Werden die Quarz-Regelkreise separat von anderen Komponenten und Leitungen der Leiterplatte realisiert, und werden die Anschlussbereiche möglichst klein gehalten, kann man diese Probleme und die Signalkopplung mit anderen Bauteilen (z. B. große Induktivitäten) verhindern.

Viele EMV Probleme mit Übersprechen treten rund um den Quarz auf; die Einhaltung eines Mindestabstands von 2 cm zwischen dem Oszillator und anderen Bauteilen hilft, diese Empfindlichkeit zu verringern.

 

Abstrahlende Antennen

Jede nicht abgeschlossene Leitung mit einer Länge von rund 8 cm oder mehr stellt eine Antenne dar, die Signale im FM-Bereich abstrahlt. Dies kann mühelos behoben werden, indem lange Signalleitungen verhindert und mit einem Reihenwiderstand abgeschlossen werden, um somit eine Dämpfung, ohne Verlangsamung der Datenübertragung, zu erhalten.

 

Leitungen mit zu scharfen Knicken können im Knickbereich ebenso Abstrahlungen erzeugen; daher sollte das Design-Tool beim Entwurf-Check solche Stellen markieren. Derartige Knicke stellen darüber hinaus einen Risikofaktor für den Ertrag des Fertigungsprozesses dar, sodass deren Beseitigung gleich zwei Vorteile mit sich bringt.

 

Zonen

Das Erstellen von Zonen mit ähnlichen Funktionen kann helfen, die Anforderungen an das Layout zusammenzufassen. Werden alle analogen Bauteile in einem bestimmten Bereich konzentriert, abgeschirmt von einer geteilten Masseebene bzw. mit Masseleitungen, so kann die Empfindlichkeit des Designs gegenüber Störsignalen verringert werden. Somit kann mehr Zeit für das Design des analogen Bereichs der Leiterplatte verwendet werden, da die digitalen Bauteile weniger rauschempfindlich sind. Analog dazu kann es auch hilfreich sein, alle Leistungskomponenten in einem Bereich der Leiterplatte zusammenzufassen, weit entfernt von allen empfindlichen Bauteilen.

 

Automatisches Verlegen

Obwohl ein automatisches Verlegen nützlich scheinen mag, kann die Beachtung dieser Faktoren und das Einschränken des Tools hilfreich sein. Die automatische Leitungsverlegung der Leiterplatten-Zonen kann helfen, den Layout-Prozess zu beschleunigen, während zugleich der Einfluss elektromagnetischer Interferenzen auf das Design minimiert wird. Diese Systeme können aber womöglich nicht lange Signalleitungen bzw. rauschintensive neben empfindlichen Leitungen aufgreifen, insbesondere bei E/A-Anschlüssen. Die Beachtung des Einflusses elektromagnetischer Interferenzen auf diese Leitungen kann helfen, das automatische Design zu optimieren.

 

Tools wie DesignSpark PCB bieten eine Entwurfsregelprüfung, um sicherzustellen, dass Leitungen einen ausreichenden Abstand zueinander einhalten und nicht zu kantig verlegt sind; jedoch sind sie nicht zwingend bei EMV-Problemen hilfreich, mit denen der Entwickler sich befassen muss. Die Beachtung empfindlicher Leitungen, paralleler Signalleitungen und langer Drähte, und eine entsprechende Lösung zur Optimierung dieser Problemstellungen wird Qualität und Leistung des Designs wesentlich steigern.

 

Fazit

Elektromagnetische Interferenzen spielen eine Schlüsselrolle im Design von Leiterplatten; doch einfach einem automatischen Verlege- und Platzierungstool und der Entwurfsregelprüfung eines Systems zu vertrauen, kann Überraschungen im weiteren Verlauf bergen. Die Beachtung der elektromagnetischen Interferenzen, die bei Designs häufig auftreten können, und die Erstellung von Zonen für die automatische Verlegung können den Wert eines automatischen Designs mit dem Mehrwert des Fachwissens verknüpfen. All dies kann helfen, die Entwicklung zu optimieren und den Bedarf an kostspieligen Überarbeitungen der Leiterplatte, sowie zusätzliche Filter und Ummantelungen zu vermeiden. Die Beachtung von Interferenzen gleich zu Beginn der Entwicklungsarbeit hilft, Kosten und Zeitpläne unter Kontrolle zu halten, und so das bestmögliche Produkt herzustellen.