EMV-Entstörmaßnahmen

(1)

Teil III

EMV-Entstörmaßnahmen

(2)

Überblick Teil III

1. Filterung

- zur Unterdrückung der Störspektren auf Leitungen - Störspektrum Nutzsignal muss unterschiedlich vom

Störspektrum des Störsignals sein!

2. Schirmung

- von Gehäuse und Leitungen

3. Leitungsführung, EMV-gerechtes Layout

4. Überspannungsschutz

(3)

III.1 Elementare Filter: Abblockkondensator

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

Filter sind Spannungsteilerschaltungen mit

frequenzabhängigem Übersetzungsverhältnis

(4)

III.1 Elementare Filter: Abblockkondensator

wenn die Filterdämpfung im Bereich des Nutzsignals klein ist, dann gilt für die Filterdämpfung a _F

Filter sind Spannungsteilerschaltungen mit frequenzabhängigem Übersetzungsverhältnis

DC- bzw. NF-Nutzsignal HF-Störsignal

20lg ( ) 20lg

E

( )

E q

i

E q

f st

E q

st

E q

Z Z Z

Z Z a U

U Z Z

Z Z + +

= ω =

ω

+

(5)

Elementare Filter: Längsdrossel

Bei kleinem HF-Innen- widerstand der Störquelle wird eine Drossel in Reihe geschaltet

20lg ( ) 20lg

E

( )

i l E

f st

st E

U Z Z Z

a U Z

ω + +

= =

ω

(6)

Elementare Filter: LC-Kombination

LC-Filter als Kombination von Querkapazität (nach

Betriebsspannung auslegen!) und Längsdrossel (nach

Betriebsstrom auslegen!)

20lg ( ) 20lg

E

( )

E q

i l

E q

f st

E q

st

E q

Z Z Z Z

Z Z a U

U Z Z

Z Z + + ω +

= =

ω

+

(7)

Filterdämpfung / Einfügedämpfung

Quelle: Schurter

• Die Filterdämpfung ist frequenz- und impedanzabhängig

• Sie wird meist als „Einfügedämpfung“ mit identischen

und typischen Werten für Z _Q und Z _E (z.B. 50 Ohm)

angegeben

(8)

Einfache Filterstrukturen in Abhängigkeit der Impedanz

Quelle: Williams, EMC for Product Designers

(9)

• Die Impedanz von realen

Induktivitäten erhöht sich mit ansteigender Frequenz bis zur Resonanzfrequenz. Oberhalb der Resonanzfrequenz werden die Windungen der Spule durch

parasitäre Windungskapazitäten kurzgeschlossen.

• Um hohe Resonanzfrequenzen zu realisieren, senkt man die Anzahl der Windungen und fügt einen hochpermeablen Kern ein.

- Ferritkerne

- Eisenpulverkerne

Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign

Reale Induktivitäten

(10)

Ferritringe, Klappferrite

• Ferritringe dämpfen Gleichtaktstörungen

• Zur Filterung bis 20 MHz eignen sich Ferritkerne aus MnZn; ab 20 MHz bis 400 MHz verwendet man NiZn

Quelle: wikipedia Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(11)

Ferritringe, Klappferrite: Video

• Lorandt Fölkel, Würth Elektronik

• Influence of number of turns at snap ferrite:

Influence of number of turns at snap ferrite

(12)

Stromkompensierte Drossel

Quelle: Sedlbauer AG

• Mit stromkompensierten Drosseln lassen sich ebenfalls Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Der durch den Nutzstrom erzeugte magnetische Fluss kompensiert sich im Ringkern, so dass der

Nutzstrom nicht zur Sättigung des Materials beiträgt.

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(13)

Reale Kapazitäten

• Entstörkondensatoren haben die Aufgabe, die Störsignale kurzzuschließen bzw. sie zur Masse abzuleiten.

• Die Impedanz von Kapazitäten sinkt mit ansteigender

Frequenz bis zur

Resonanzfrequenz; oberhalb der Resonanzfrequenz wirken sich die Eigen- und

Zuleitungsinduktivitäten L

_c

negativ aus.

(14)

Durchführungskondensator

• Die Eigeninduktivität eines Kondensators hängt ab von

- Leitungslänge der Abschlussleitungen - Einbauart

- Innerer Aufbau

• Eine Sonderbauform ist z.B. der Durchführungskondensator

Quelle: elektroniknet.de Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(15)

L1 N

PE CY CY

Stromkompensierte Drossel

C _x

X-Kondensator

• Unterdrückt symmetrische Störungen

• beliebig hohe Kapazitäten

• Unterteilung X1 und X2 (> bzw. <1,2 kV)

Y-Kondensator

• Unterdrückt unsymmetrische Störungen

• Ableitstrom nach PE im normalen Betrieb zwischen 0,75 mA und max. 3,5 mA zulässig, dadurch C

_Y

auf einige 1000 pF begrenzt

• Besondere elektrische Festigkeit (2,5 - 8 kV)

Netzfilter

(16)

Beispiele für Einbaunetzfilter

(17)

• Großflächiger niederimpedanter Kontakt des Filtergehäuses mit dem Gerätegehäuse

• Filter möglichst dicht an der Gehäuseeintrittsseite montieren

• Netzkabel schirmen, Schirm an beiden Seiten großflächig auflegen

Korrekte Filtermontage

(18)

Korrekte Filtermontage (2)

Übersprechen Übersprechen Kein Übersprechen

Quelle: SIEB & MEYER, EMV-gerechter Geräteaufbau

(19)

Beispiel für Microstrip-Leitungsfilter

Serieninduktivitäten Parallelkapazitäten

(20)

Beispiel zur Wirksamkeit Filtereinsatz

ohne Filter

mit geeignetem

Netzfilter

(21)

Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit

III.2 Schirmung

(22)

Überblick Schirmung

1. Prinzip der Schirmung

- statische, quasistatische E- und H-Felder - hochfrequente elektromagnetische Felder

2. Gehäuseschirmung

- Messung

- Schirmöffnungen: Türen, Schlitze, Fenster

3. Kabelschirmung

- Prinzip, Auflegen des Schirms

- Kabelschirm als Kurzschlussmasche

(23)

Abschirmung von Senke und Quelle

(24)

Schirmfaktor und Schirmdämpfung

= ^ohne

E

mit

A E

E _H = ^ohne

mit

A H

H

= 20lg ^ohne

E

mit

a E

E _H = 20lg ^ohne

mit

a H

H Schirmfaktor

Schirmdämpfung

(25)

Schirmung (quasi)statischer E-Felder

• Verschiebung von Ladungen, bis keine tangentialen Kräfte mehr auf Ladungen wirken; E-Feldlinien stehen senkrecht auf Gehäuse

• Verschobene Ladungen erzeugen Gegenfeld im Inneren der Schirmhülle

• Gegenfeld und äußeres Feld kompensieren sich Im Inneren

• Bedingung : Schirmströme müssen ungehindert fließen können (elektrisch leitfähige Hülle ohne Lücken)

ohne Schirm

(26)

Schirmung statischer H-Felder

• Magnetostatische Felder sind NICHT durch elektrisch leitfähige Materialien abschirmbar

• Hochpermeable Werkstoffe notwendig (µ

_r

>> 1):

• „Mu-Metall“, Permalloy (Nickel-/Eisenlegierungen, ggf. Zusatz von

Cobalt und Molybdän)

(27)

Schirmung quasistatischer H-Felder

• Elektrisch leitfähige Materialien einsetzbar; magnetische Wechselfelder induzieren elektrische Stromdichten, die sekundäre Magnetfelder erzeugen

• Dies wirken äußerem Magnetfeld entgegen und kompensieren es teilweise

• Schirmwirkung lebt von induzierten Strömen, deswegen Fugen vermeiden!

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Schirm nahezu

wirkungslos Minimalanforderung Optimaler Schirm

(28)

Schirmung hochfrequenter EMF

• Im hochfrequenten Fall dominiert die Reflexion als Hauptabschirmungs-

mechanismus

• Doppelte Wirbelverkopplung

• Zusätzlich Absorptions-

verluste in Schirmwand

(29)

Quelle: Rodewald, EMV

Warum nicht ein Material für alle Frequenzen?

• Hochpermeable Materialien haben eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und einen starken Skineffekt

• Ohmsche Verluste verringern aber die Abschirmwirkung bei hohen

Frequenzen

(30)

Messung der Schirmdämpfung

• Sender und Empfänger auf unterschiedlichen Seiten der Schirmwand

• Insbesondere Zugänge (Türen, Mediendurchführungen usw.) abtasten

• Oberhalb von 1 MHz 85 dB und mehr Schirmdämpfung erreichbar

MIL-STD 285,

IEEE Std. 299

(31)

Praktisches Beispiel

• Begrenzung der unteren Grenzfrequenz durch Öffnungsgröße

(32)

Problematik: Schirmöffnungen

• Zugangstüren, Verbindung von Gehäuseteilen

• Belüftung, Klimatisierung

• Mediendurchführungen (Wasser, Druckluft)

• Stromzuführungen

• Signal- und Datenleitungen

(33)

Zugangstüren

Quelle: hollandshielding.de

(34)

Beispiel: Tierexposition Hannover

(35)

Eloxierte / lackierte Gehäuseteile haben keinen HF-Kontakt!

Kontaktierungsverbesserungen

• ^Federn

• Kontaktbänder

• metallische Dichtungen

Verbindung von Gehäuseteilen

(36)

Schirmdämpfung reduziert sich bei:

• Vergrößerung der Schlitzlänge der Öffnung

• Steigender Frequenz des Strahlers

• Erhöhung der Anzahl der Öffnungen

Belüftung: Gehäuseschlitze

(37)

• Erfahrungsgemäß sollte eine Öffnung mindestens 20 dB Schirmdämpfung aufweisen

• Angaben für 20 dB Schirmdämpfung

Schirmdämpfung und Schlitzlänge

(38)

Orientierung von Gehäuseschlitzen

besser schlechter

Quelle: Williams, EMC for product designers

(39)

Schirmströme

Schirmausschnitt

Rechteckiger Schlitz behindert Schirmströme

⇒ Schirmwirkung schlecht, Gehäuseschlitz wirkt wie Schlitzantenne

Große Anzahl kleiner Löcher behindert weniger die Ausbildung der Schirmströme

⇒ Schirmwirkung wesentlich besser

⇒ viele kleine Löcher sind besser als wenige große

Bessere Lösung: Löcher

(40)

• Eine bessere Schirmdämpfung als durch Lochungen erreicht man mit Kamindurchführungen bzw. Wabenkaminfenstern

• Dies sind prinzipiell Hohlleiter unterhalb ihrer cut-off Frequenz

Quelle: Schwab, EMV

Kamindurchführung Wabenkaminfenster

(Waben)Kamine für Mediendurchführung

(41)

• Ausschnitte an Displayscheiben abschirmend beschichten (Besputtern)

• Verwendung von Maschendrahtnetzen oder Lochgittern

Sichtfenster

Quelle: dexgo.com

(42)

Schirmungsunterbrechungen:

Elektrische Signale

• Elektrische Signale sollten unbedingt über Filter

geführt werden

(43)

Problematik: Hohlraumresonanzen

Quelle: Chr. Adami, Diplomarbeit Uni Duisburg, 2005

• Bei „zu guter“ Abschirmung können Hohlraumresonanzen auftreten

• Diese können die Abschirmung teilweise wieder zunichte machen

• Bedämpfung durch Absorbermaterial

(44)

Prinzip Kabelschirmung

Ungeschirmtes Kabel Geschirmtes Kabel

• Durch die Kabelschirmung sollen externe Störeinkopplungen auf das Kabel

(induktiv, kapazitiv, gestrahlt) minimiert werden

(45)

schlechte Schirmanbindung

gute Schirmanbindung

• Leitungsschirm möglichst niederimpedant mit metallischem Gehäuse verbinden

• Schirm immer ganzflächig auflegen, entweder mit Metallschelle oder mit geeignetem

Konnektor

• Impedanz des „Pigtails“:

L ~ 10 nH/cm X

_L

= 2 π fL

X

_L

= 62,8 Ω bei 500 MHz und 2 cm Länge

• Bei schlechter Schirmanbindung ist zusätzlich eine Ein- bzw. Auskopplung von Störsignalen über die Leiterschleife "Schirm – Signalleiter"

möglich

Anbindung des Schirms

(46)

Anbindung des Schirms (2)

Niederinduktiver Anschluss (großflächig, umlaufend)

Induktiver Anschluss mittels Draht (pigtail)

Induktiver Anschluss hinter Schirmwand

Nicht bzw. nur kapazitiv

angeschlossener Schirm

(47)

Schirm ist Teil des Betriebsstromkreises

→ Schirm nur einseitig auflegen (sonst Erdschleifen!)

Schirm mit reiner Schirmfunktion

→ Schirm beidseitig auflegen

Ein- oder beidseitiges Auflegen des Schirms

(48)

Ein- oder beidseitiges Auflegen des Schirms (2)

• Einseitiges Auflegen unterdrückt elektrische Felder

• Für Abschirmung gegen magnetische Wechselfelder ist beidseitiges Auflegen notwendig! Hierbei jedoch Gefahr der Bildung von Erdschleifen!

Wenn der Rückstrom über den Schirm fließt …

Schirm

(49)

Funktionsweise einer Kurzschlussmasche

Kurzschlussmasche/

Reduktionsleiter

• Abschirmung einer „empfindlichen Schaltungsmasche“ durch

benachbarte niederohmige

„Kurzschlussmasche“

(Reduktionsleiter)

• In Kurzschlussmasche wird durch

Φ

_M

(i

₁

) (bzw. Φ

_Ext

( ω )) ein Strom i

₂

(bzw.

I

_R

( ω )) induziert, dessen Fluss Φ

_L

(i

₂

) dem störenden Fluss Φ

_M

(i

₁

) (bzw.

Φ

_Ext

( ω )) entgegenwirkt und ihn reduziert

• Dadurch wird der induktive Einfluss von i

₁

auf die zu schützende Masche reduziert oder sogar kompensiert

Kurzschlussmasche/

Reduktionsleiter

Geschützte Masche

(50)

Der Kabelschirm als Kurzschlussmasche

~ ~

Effektive Induktionsfläche

Verringerung der effektiven Induktionsfläche

i

₁

i

₁

Kurzschlussmasche/

Reduktionsleiter

• Ein beidseitig aufgelegter Kabelschirm kann als Kurzschlussmasche

aufgefasst werden

• Wirkungsweise auch über Reduzierung der umspannten Leiterschleife (effektive

Induktionsfläche) erklärbar

(51)

Weitere Konzepte zur Verbesserung der EMV

• III.1: Kondensatoren, Spulen, Filter

• III.2: Schirmung

• Gleichtaktdrossel

• Trenntransformator

• Optokoppler

• Symmetrische Übertragung

• III.3 Spezielle Hinweise zum Leiterplattenlayout

• Systemische Verbesserungen

Minimierung von

Gleichtaktstörungen

(52)

Gleichtaktdrossel

• Mit stromkompensierten Drosseln lassen sich Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Der durch den Nutzstrom erzeugte magnetische Fluss kompensiert sich im Ringkern, so dass der

Nutzstrom nicht zur Sättigung des Materials beiträgt.

U

^~_{Stör Gl0}

(53)

Trenntransformator

• Auch mit Trenntransformatoren lassen sich Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Für Gleichtaktsignal stellt Trafo einen Leerlauf dar (a).

• Primär- und Sekundärseite sind galvanisch getrennt.

• Bei höheren Frequenzen existieren parasitäre Kapazi- täten zwischen Primär- und Sekundärwindungen (b).

(54)

Optokoppler

• Auch mit Optokopplern lassen sich Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Nur das Gegentaktnutzsignal erzeugt optisches Signal;

Gleichtaktsignal sieht Leerlauf (a).

• Bei räumlicher Nähe vermindern parasitäre Kapazitäten die Dämpfung bei hohen Frequenzen (b); deswegen

Abstandserhöhung und Anbindung LWL.

(55)

Symmetrische Übertragung

• a) unsymmetrische, b) symmetrische

Signalübertragung

• Symmetrische Leitung:

Gleichtaktstörungen führen nicht zu einer Störspannung an R _A , da sich beide

Teilspannungen aufheben.

• Symmetrische Leitung kann auch verdrillt sein, um Einfluss von externen magnetischen und elektrischen Feldern zu minimieren.

Einkoppelschleife

(56)

Verdrillte Leitung

• Magnetisches Feld:

Fortlaufender Wechsel der Flächennormalen dA;

induzierte Spannungen heben sich auf.

i

A

U d B dA

= − dt ∫∫ ^{ } ⋅

• Elektrisches Feld:

Potenzielle Störungen koppeln auf beide Leiter in gleicher Weise ein; keine Wirkung an Last.

(57)

III.3 Hinweise zum Leiterplattenlayout

(58)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(59)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(60)

Leiterplatten: Multilayeraufbau

Folgende Faktoren sind wichtig in Bezug auf den Lagenaufbau einer Multilayer-PCB:

• Anzahl der Lagen

• Abstand zwischen den Lagen

• Reihenfolge der Lagen

• Art der Lagen: Power (U _b ) / Ground (0 V) / Signal (Low/High Speed)

(61)

Multilayer: Designziele

Folgende Designziele sollten beim Lagenaufbau beachtet werden:

1. ^{0 V- und} U _b -Lage direkt benachbart und mit minimalem Abstand anordnen (Powerintegrität (stabile Spannungsversorgung),

Entkopplung durch Ausbildung eines Flächenkondensators)

2. Signal-Lage immer benachbart und in geringem Abstand zu einer 0 V-Lage anordnen (schlechter, wenn U

_b

oder Signal benachbart) (Signalintegrität, kontrollierter Rückstromweg für alle Signalwege)

3. Schirmung der Signal-Lage gegen U _b durch 0 V-Lage (Intra-EMV)

4. (High-Speed-)Signale mit 0 V-Lagen nach außen abschirmen,

Metallisierung der Leiterplattenkanten und Kontaktierung mit Ground (Inter-EMV, d.h. Emission der gesamten Leiterplatte)

5. Mehrere 0 V-Lagen verwenden

Quelle: nach A. Schweitzer, EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie; Schwab/Kürner, EMV

(62)

Beispiel: 4-Lagen-Leiterplatte

Bewertung der Lageanordnung bei 4-Lagen-Leiterplatte

Quelle: A. Schweitzer, EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie

Typ 1

Großer Abstand zwischen 0 V und U_bnicht optimal

(63)

Beispiel: 6-Lagen-Leiterplatte

Benachbarte Signallagen durch

orthogonale Leitungsführung entkoppeln (horizontales / vertikales Routing)!

Gut:

• Obere Signallagen benachbart zu Ground, High-Speed-Signale nach oben durch Ground abgeschirmt

Schlecht:

• Power und Ground nicht benachbart, Low-Speed-Signale nicht abgeschirmt

(64)

Beispiel: 8-Lagen-Leiterplatte

Gut:

• High-Speed Signale benachbart zu Ground, High-Speed-Signale nach außen durch Ground abgeschirmt, Power und Ground benachbart (nur links)

Schlecht:

• Low-Speed-Signale nicht abgeschirmt (nur links), Power und Ground nicht

benachbart (rechts)

(H/V = horizontales / vertikales Routing)

oder alternativ

(65)

… und für 10 Lagen …

Quelle: Vincenz, Taube, Wiemers: Leiterplatten- und Baugruppentechnik

(66)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(67)

Schaltungsmasse

• Masseleitungen homogen und

niederimpedant ausführen (z.B. als Massefläche bei einer Multilayer- Platine); alternativ Massegitter mit Maschenbreite < λ /20

• Fläche unter Oszillatoren und

Prozessoren als Schirm ausführen (keine Leitungsführung)

• Oszillatoren ggf. separat abschirmen

• Trennung der analogen und digitalen Masse (separate Layer); sternförmige Zusammenführung

• Räumliche Trennung von analogen und digitalen Schaltkreisen

digitale Komponenten analoge Komponenten

Spa nnu ngs ver so rgu ng

(68)

Reihenmasse und Sternmasse

Quelle: ibfriedrich.com

Reihenmasse:

Verkopplung aller Schaltungsteile durch Koppelimpedanzen Z

_K

(Masseleitung)

Sternmasse:

Keine Verkopplung der

Schaltungsteile durch

Zusammenführung im

Sternpunkt

(69)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(70)

Stützkondensator

• Der bei schnellen Schaltvorgängen von ICs benötigter Strom erzeugt eine Taktung auf allen anderen Schaltungsteilen (z.B.

durch galvanische Kopplung der Versorgungsspannung U _b )

• Stützkondensatoren direkt am IC dienen als „örtliches Ladungsreservoir“ und stützt die Versorgungsspannung

• Platzierung der Kondensatoren möglichst niederinduktiv

günstig ungünstig

(71)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(72)

Minimierung von Stromschleifen

• Leiterschleifen so klein wie möglich ausführen

• Signalleiter dich am Bezugsleiter anordnen (Multilayer)

Unterseite auf

Zur Reduzierung von Leiterschleifen bei Bandleitungen nicht nur ein Bezugsleiter (a), sondern wie (b) mehrere Rückleiter oder (c) eine flächige Masseleitung verwenden.

a) b) c)

× 

(73)

Minimierung von Stromschleifen (2)

günstig ungünstig

• Außerdem wichtig: Niederinduktive Ausführung von

Stromversorgungsleitungen (möglichst kurz und breit)!

(74)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(75)

Reduzierung des Übersprechens

• Parallele Leiterführung möglichst vermeiden oder kurz halten

• Bei unvermeidbarer Parallelführung kann Schirmleiterbahn

eingefügt werden (vgl. Kurzschlussmasche, außerdem Wirkung als elektrischer Schirm zur Reduzierung kapazitiver Kopplungen)

• Beschränkung von Flankensteilheit und Taktfrequenz auf das erforderliche Maß

(76)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(77)

Quelle: elektroniknet.de

Filter für Gegentaktstörungen

Bypass-/Entkopplungskondensator

(78)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(79)

Nicht die höchst mögliche Taktfrequenz EMV-Störungen steigen mit der Frequenz!

Doppelte Wirbelverkopplung

Grundlage für Ausbreitung em Wellen und für Abstrahlung von Antennen;

erfordert hohe Frequenzen!

H 

J 

∂

∂ H 

t

∂

∂ E 

t E 

Faraday‘sches Induktionsgesetz t

E B

rot ∂

− ∂

=

 

Ampère‘sches Durchflutungsgesetz t

J D H

rot ∂

+ ∂

=

 



(80)

• Modulation: Störunanfällige (robuste) Modulationsverfahren verwenden

• Korrelation: Korrelationsverfahren zur Separierung stochastischer Störsignale von periodischen Nutzsignalen

• Digitalisierung: Digitalschaltungen weisen höheren Störabstand auf als Analogschaltungen

• ^Kodierung: Fehlererkennende und fehlerkorrigierende Kodes (FEC)

• Übertragungsprotokoll: Fehlerhaft übertragene Datenblöcke werden noch einmal übertragen (kostet Datenrate)

Quelle: nach Franz, EMV

Systemische Entstörmaßnahmen

(81)

Überspannungen entstehen durch:

Blitzeinschlag,

Surge Schalthandlungen,

Burst Defekte im

Versorgungsnetz ESD

III.4 Überspannungsschutz

(82)

Überspannungsableiter (Gasableiter)

Quelle: leutron.de

Überspannungsableiter (Gasableiter, Funkenstrecken) leiten Überspannungen vom zu schützenden Leiter durch einen Kurzschluss (Lichtbogen) direkt auf den Rückleiter (Masse) ab

Überspannungsableiter

Funkenstrecke

Gasableiter

(83)

Überspannungsableiter: Ansprechverhalten

Quelle: Epcos

Das Ansprechverhalten ist von der Steilheit des

Spannungsimpulses abhängig!

(84)

Überspannungsableiter: Vor- und Nachteile

Typische Stoßkennlinie Resultierender Spannungsverlauf

• gering Beeinflussung des Nutz- signals, Kapazität liegt bei 6 -10 pF

• sehr robust, deshalb ideal als Grobschutz („harter Ableiter“)

• Hohe Stromtragfähigkeit

• niedrige Kosten

• relativ lange Ansprechzeit, 0,05 - 5 µ s

• Zündspannung abhängig von

Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, deswegen schlechte Reproduzierbarkeit

• Nachleiteffekte (Leitfähigkeit verbleibt bis zu Rekombination der Ionen)

Vorteile Nachteile

Ansprechzeit

m

Zün ds pan nu ng

(85)

Varistor: Grundprinzip und Aufbau

Varistoren (Variable Resistor) bestehen aus einem gesinterten Keramikmaterial, dessen Widerstand mit der Höhe der anliegenden Spannung nichtlinear

abnimmt.

Quelle: nach Schwab/Kürner, EMV

Quelle: electroschematics.com Quelle: brieselang.net

(86)

Varistor: Vor- und Nachteile

Typische Kennlinie Resultierender Spannungsverlauf

• kein Spannungskurzschluss, sondern hält auch bei großen Stromstärken Spannung

• Geringe Ansprechzeit <20 ns (reine

Varistorkeramik <1 ns, Rest Zuleitungs-L)

• robust, Grobschutz

• Große Auswahl an Bauformen

• Hohe Eigenkapazität (0,1 – 50 nF)

• Hoher Leckstrom bis 0,1 mA

• Mittleres Absorptionsvermögen

• Alterung

Vorteile Nachteile

(87)

Suppressordioden

a) b)

unipolare Suppressordiode in Reihenschaltung (links)

und bipolare Suppressordiode in Brückenschaltung (rechts)

Quelle: wikipedia.org

Suppressordioden sind gewöhnlich unipolare Bauelemente, die gegenüber normalen Z-Dioden einen hohen Sperrstrom tolerieren (keine Zerstörung der Sperrschicht). Durch gegensinnige

Reihenschaltung erhält man eine symmetrische Kennlinie.

(88)

EMV-Entstörmaßnahmen

Teil III