EMV-Auswirkungen auf und von Leiterplatten - Schurter

EMV-Auswirkungen auf undvon Leiterplatten21. Mai 2008André TraboldTel. 026 411 93 331728 Rossenswww.emc.montena.com1Programm• Einleitung• Immunität: Störsignale und Filter• Emission: Störsignale und Filter• Versuchsaufbau: Antennenwirkung eines Leiters• Zonenkonzept einer Leiterplatte• Versuchsaufbau: Zonen und aufgeteilte Masseflächen• Entkopplung von Signalen und IC‘s• Schaltregler• Diskussion2

Immunität: Idee der Filter und deren PlatzierungOhne Filter:iMit Filter:ii COMMOM-MODEiiii COMMOM-MODEiiiPrinzip 1:Prinzip 2:Hohe ImpedanzNiederimpedante Alternativeanbieten5Störquellen auf LeiterplattenGleichtakt-StörquellenGegentakt-StörquellenKabeliE, HE, HiSignalMasse∆UGND∆UiGND6

Emission: Idee der Filter und deren PlatzierungOhne Filter:iMit Filter:iii~~~i~~~~~ ~~Prinzip 1:Prinzip 2:Hohe ImpedanzNiederimpedante Alternativeanbieten7Versuchsaufbau: Antennenwirkung eines LeitersDraht senkrechtzur MasseflächeDraht aufMasseflächeMasseflächeSpektrumanalyzer10nF SMD-KondensatorDraht überMasseflächeherausragend8

Versuchsaufbau: Antennenwirkung eines Leiters1) Draht über Massefläche herausragend:Peak bei ….... MHz: ….... dBµV2) Draht senkrecht zur Massefläche:Peak bei ….... MHz: ……. dBµV3) Draht auf Massefläche:Peak bei ….... MHz: ….... dBµV Massefläche4) Draht mit 10nF, jede Ausrichtung:Peak bei ….... MHz: ….... dBµV5) Draht mit 10nF nahe am Stecker, jede Ausrichtung:Peak bei ….... MHz: ….... dBµV Entkopplung9Beispiele von Zonen auf der gedruckten SchaltungSteckerFilterung der SchnittstellenanalogSchnittstellenSchaltunggetakteteVersorgungnumerischnumerischschnell10

Problematik von Bus-Systemen mit Klemmenanschlüssen vorne.Grundüberlegung:• Verringerung von i STÖRdurch Serieimpedanz.• Niederimpedanter Pfad zur „Umleitung“ von i STÖR.i störi störi störi störi störE, H13Mögliche Konstruktion bei EinschubplatinenFrontplatteLeiterplatteI/O-ZoneSteckerSteckerBus-SteckerZone « digital » und/oderZone « analog » .Befestigungslöchermit KontaktierungSchraubeEntkoppelkondensator1 - 10nFRackNiederimpedante Verbindungen(keine Oxydschicht, Eloxierung, etc. !)14

SteckerSteckerAnbindung der EntkopplungskondensatorenI/O ZoneI/O ZonerichtigfalschEntkopplungskondensatorEntkopplungskondensator15Design des FilterungsbereichsZur SchaltungZur SchaltungSteckerI/O-MasseFalschFilterungskondensatorenI/O-MasseRichtigD.COM.03016

0,47 µFFilterungsbereich der SpeisungZone « digital »Zone I/ODie Reihenfolge aufdem Schemaentspricht derReihenfolge imLayout !2 x 40 uH0,1 uFSelf2 x 82 mH2 x 2,2 nFKontaktierungsfläche undVerschraubung mit dem GehäuseConnect.Stecker I/OOptokopplerTrafo-Anschlüsse10 nF-Entkopplungskondensatorenauf allen Leitungen0,1 uF2 x 82 mHTrafo0,47 uFNetz2 A / 40 uH2 x 2,2 nF17FlachbandkabelProblematik:• LP1 und LP2 können gegeneinanderschwingen.• Die Leiter des Flachbandkabelskönnen eine Schleife bilden.EMV-Massnahmen:• Filter (Signale und Speisung)• Niederimpedante Verbindung(Hin- und Rückstrom soll möglichst keineSchleife bilden)LP1LP2FilterGND18

Massekonzept für MultilayerKontaktierungsflächefür die MassungFilterungskondensatorI/O-Bereich(freilassen)I/O-ZoneStecker SteckerSignalleitungenVersorgungsspannung(en)(flächig)Zone« analog »Zone« digital »SignalleitungenBefestigungslochmit Aussparung19Versuchsaufbau: Zonen und aufgetrennte MasseflächenRechteck100kHzf-GeneratorEinschnitt in der Massefläche:Montageöffung, Zonengrenzeoder Leiterbahn aufMasselayer.Leiterbahn über derMassefläche oder überdem Einschnitt.MasseflächeMesssonde unterder Massefläche10kOhmSpektrumanalyzer20

Versuchsaufbau: Zonen und aufgetrennte Masseflächen1) Leiterbahn über Massefläche :Peak bei ….... MHz: ….... dBµVStrompfad: Hinweg = Rückweg2) Leiterbahn über Einschnitt:Peak bei ….... MHz: ……. dBµVStrompfad: Hinweg ≠ RückwegSchaltungsströme:Layout so anordnen, damit Hinweg und Rückweg des Stromes identisch sind.Die Zonengrenze ist wirklich eine Zonengrenze. Signale dürfen nur durch dieZonenübergänge geführt werden.21Auslegung der SchaltungsmasseDigitaltechnik:• flächenartig und vermaschtNF-Analogtechnik mit kleinen Strömen:• gleich wie DigitaltechnikNF-Analogtechnik mit hohen Strömen:• Verbindungen mit hohen Strömen sternförmig• Rest gleich wie DigitaltechnikHF-Analogtechnik:• “Stripline”- oder “Microstrip”-TechnikD.DIG.03822

Zusammenhang zwischen Signal und FrequenzspektrumSignalt rTDu, i20 dB/Dekade40 dB/Dekade1/πD1/πt rLog (f) Signale so langsam wie möglich und nur so schnell wie nötig.23Tiefpass-FilterungSteile Flanken lassen sich durch Tiefpaß-Filterung “abrunden”. Dadurchwerden die Oberwellen gedämpft und die Emission verringert. Es ist darauf zu achten, daß im weiteren Leitungszug kein schnelleresGatter liegen darf. Dieses würde das ursprüngliche Signal rekonstruierenund die Filterwirkung aufheben.BeliebigeElektronik20 MHz56 OhmBeliebigeElektronikTakt / SignalInput47 pF24

Zusammensetzung der IC SchaltströmeL Zuleitungi schaltL ZuleitungIC Last-ICi LastC Streui schaltC Lasti Queri schalt = i quer + i Last2625Blockschema der TestschaltungZum Spektralanalysator oder OszilloskopU 1U 1U Test-ICU LastiPulsaufbereitungTreiberTest-IC&LastD.DIG.056

Schaltströme IC 74AC005V/DIV.UAusg.i [mA]10010140mA/DIV. 74AC000.10.010.0010.00010 200 400 600 800 1000f [MHz]i [mA]10040mA/DIV. 74AC001010.10.01Stützmassnahme: 1010ns/DIV.nF0.0010.00010 200 400 600 800 1000f [MHz]D.DIG.06527Schalten von “0” auf “1” bei einem digitalen ICInduktivität der Speisungsleiterbahnenii+ Vcc∆ i5 VVccICCLastVcc∆ ttGNDC Entkopplung∆U1=C( ∆ ⋅ ∆ )ittD.DIG.009b28

Spannungsversorgung12.06.200229Impedanz der SpannungsversorgungMassenfläche und Vcc LeiterbahnenC1: 1 mF C3: 100 nFC2: 4.7 uF C4: 10 nF12.06.200230

Impedanz der SpannungsversorgungMassenfläche und Vcc FlächeC1: 1 mF C3: 100 nFC2: 4.7 uF C4: 10 nF12.06.200231Impedanz einer MasseflächePiste / Leiterbahn 30 mm x 0.5 mm35 µmPlan / Fläche32

Entkopplung der Speisungenfalsch10nFVccuPVcc10nFfalschSignal 2VccGNDVccVccSignal 110nFrichtig33Example: double-sided component placementsource:motorolaAN212734

EMV-Auswirkungen auf und von LeiterplattenZusammenfassung:- Aufzeigen von möglichen externen Störströmen.- Einteilung der Leiterplatte in Zonen.- Auswahl der Filterungsmassnahmen.- Platzierung der Filter.- Aufzeigen von internen Störquellen (Schalter und IC‘s).- Ideale Anordnung der internen Störquellen innerhalb der Zone.- Auswahl der Entkopplungsmassnahmen.- Entkopplung der internen Störquellen innerhalb der Zone(n).43EMV-Auswirkungen auf und von LeiterplattenDiskussion44