Überwindung elektromagnetischer Probleme auf Leiterplatten

Elektromagnetische Probleme plagen PCB-Designer immer wieder. Systementwickler müssen die elektromagnetische Verträglichkeit und Interferenz immer überwachen. Leider können selbst kleine Konstruktionsprobleme zu elektromagnetischen Schwierigkeiten führen. Diese Probleme treten häufiger denn je auf, da Board-Designs schrumpfen und Kunden höhere Geschwindigkeiten fordern.

Die beiden Hauptprobleme sind elektromagnetische Kompatibilität und elektromagnetische Interferenz.

Elektromagnetische Verträglichkeit oder EMV umfasst die Erzeugung, Ausbreitung und den Empfang elektromagnetischer Energie, im Allgemeinen durch schlechtes Design. Elektromagnetische Interferenz oder EMI bezieht sich auf die unerwünschten und schädlichen Auswirkungen von EMV sowie auf elektromagnetische Interferenzen von Umweltquellen. Zu viel EMI kann zu einem defekten oder beschädigten Produkt führen. Jeder PCB-Designer sollte die EMV-Designregeln befolgen, um die Menge und die Auswirkungen von EMI zu minimieren.

Glücklicherweise kann ein korrektes EMV-Design EMI in Leiterplatten reduzieren.

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Warum es wichtig ist, elektromagnetische Störungen zu vermeiden

Quellen elektromagnetischer Störungen sind überall um uns herum, und wir können sie auf verschiedene Arten kategorisieren:

Quelle: Vom Menschen verursachte EMI entsteht durch elektronische Schaltungen. Natürlich auftretende EMI hingegen können durch Umweltfaktoren wie kosmisches Rauschen und Blitze entstehen.

Dauer: Kontinuierliche Interferenz ist eine EMI-Quelle, die ein konstantes Signal aussendet, das meistens als Hintergrundrauschen erscheint. Impulsinterferenzen sind intermittierend und werden normalerweise durch Schaltsysteme, Blitze und andere nicht konstante Quellen verursacht.

Bandbreite: Schmalbandsignale, wie sie vom Radio verwendet werden, können von Oszillatoren und Sendern gestört werden, obwohl diese Quellen nur zeitweise bestimmte Teile des Spektrums beeinflussen. Breitbandstörungen wirken sich auf Signale mit hohem Datenvolumen wie TV aus und können aus vielen Quellen stammen, einschließlich Lichtbogenschweißern und Sonnenrauschen.

Ob von Menschen verursacht oder umweltbedingt, EMI kann sowohl kostspielig als auch gefährlich sein. Es kann Kommunikationskanäle und sensible Geräte stören. EMI ist ein bemerkenswertes Problem im medizinischen Bereich, wo die Nutzung drahtloser Geräte zunimmt. Leider können EMI die Funktionalität medizinischer Geräte wie Beatmungsgeräte, EKG-Monitore, Herzmonitore und Defibrillatoren beeinträchtigen. In anderen Branchen können EMI Sensoren und Navigationssysteme stören. Das Ergebnis ist in allen Fällen eine Störung der Ausrüstung, die für die Gesundheit und Sicherheit ihrer Benutzer verantwortlich sein kann.

Die häufigste Quelle für EMI – und die problematischste Quelle für Designer – ist jedoch intern. Ein schlechtes PCB-Design kann dazu führen, dass sich inkompatible Signale auf der Platine gegenseitig stören. Diese Störungen können letztendlich zum Ausfall der Platine führen. Designer müssen sicherstellen, dass Interferenzen auf einem Minimum gehalten werden und alle abgegebenen Signale kompatibel sind, um keine Interferenzen zu verursachen.

EMC-Designprinzipien zur Vermeidung und Behebung elektromagnetischer Probleme

Leiterplattendesigner müssen die Designprinzipien der elektromagnetischen Kompatibilität befolgen, um EMI auf ein Minimum zu reduzieren. Die grundlegenden Ursachen für EMV-Probleme sind ziemlich häufig und haben meistens mit Designfehlern zu tun, die Interferenzen zwischen Leiterbahnen, Schaltkreisen, Durchkontaktierungen, PCB-Spulen und anderen Elementen verursachen.

Diese wesentlichen Designprinzipien können dazu beitragen, diese elektromagnetischen Probleme in einem Leiterplattendesign zu vermeiden und zu beheben.

1. Grundebene

Das Entwerfen der Masseebene einer Leiterplatte ist der wichtigste Schritt und entscheidend für die Reduzierung von EMI. Die Masseebene ist Ihre erste Verteidigungslinie gegen EMI, da alle Schaltkreise eine Masse benötigen, um zu funktionieren. Einige gängige Best Practices für das Bodendesign zur Reduzierung von EMI sind:

Bodenfläche maximieren: Erhöhen Sie die Massefläche so weit wie möglich innerhalb der Leiterplatte. Signale können sich mit mehr Fläche leichter ausbreiten, wodurch Emissionen, Übersprechen und Rauschen reduziert werden. Wenn die Masseebene zu klein ist, können Sie möglicherweise eine weitere Schicht hinzufügen und eine mehrschichtige Leiterplatte erstellen. Diese Designlösung bietet mehr Optionen für die Handhabung von Hochgeschwindigkeits-Traces.

Verwenden Sie feste Ebenen: Besonders bei mehrlagigen Leiterplatten ist eine solide Massefläche eine ideale Option. Kupferdiebstahl und gehashte Masseebenen führen normalerweise zu höheren Impedanzpegeln. Feste Bodenebenen hingegen sorgen für niedrigere Pegel.

Verbinden Sie jede Komponente: Verbinden Sie jedes Teil mit einer Masseebene oder einem Punkt. Die Masseebene wirkt als neutralisierendes Mittel für das Platinendesign, und Floating-Komponenten nutzen dies nicht vollständig.

Seien Sie vorsichtig mit geteilten Ebenen: Sehr komplizierte PCB-Designs enthalten oft zahlreiche geregelte Spannungen, die jeweils ihre eigenen Masseebenen haben sollten. Zu viele Masseebenen erhöhen jedoch die Herstellungskosten. Dieses Problem wird normalerweise durch die Verwendung von geteilten Ebenen umgangen, die mehrere Bodenabschnitte auf einer einzigen Ebene erstellen. Allerdings sollten Designer immer vorsichtig mit geteilten Ebenen umgehen. Stellen Sie sicher, dass Sie einen guten Grund haben, eine geteilte Ebene zu verwenden, und stellen Sie, falls Sie eine verwenden, sicher, dass sie nur an einem einzigen Punkt verbunden sind. Mehrere Masseverbindungen in einer Leiterplatte mit geteilter Masse können Schleifen erzeugen, was zu einer Antenne führt, die EMI ausstrahlt.

Bypass- oder Entkopplungskondensatoren anschließen: Wenn das Design Bypass- oder Entkopplungskondensatoren enthält, verbinden Sie diese mit der Masseebene. Dieser Vorgang trägt dazu bei, den Rückstrom zu verringern, indem die Größe der Schleife verringert wird.

Signallänge minimieren: Die Länge der Spuren ist wichtig, da die Zeit, die ein Signal benötigt, um zu und von einer Quelle zu gelangen, kompatibel sein muss. Andernfalls kann es EMI abstrahlen. Halten Sie die Leiterbahnen so kurz wie möglich und in etwa gleich lang.

2. Trace-Layout

Leiterbahnen sind besonders wichtig für das Platinendesign. Die ordnungsgemäße Verwendung der Leiterbahnen stellt einen ordnungsgemäß übertragenen Strom sicher. Es können jedoch viele Probleme auftreten, wenn Leiterbahnen nicht gemäß den wichtigsten EMV-Designregeln angeordnet sind.

Spuren sind im Wesentlichen leitende Pfade, die fließende Elektronen enthalten, während die Schaltung aktiv ist. Somit sind diese Spuren nur einen Fehler davon entfernt, eine strahlende Antenne zu erzeugen. Eine einfache Biegung oder Kreuzung kann zu elektromagnetischen Störungen der Leiterplatte führen.

Einige der besten Regeln für das Leiterbahnlayout im PCB-Design sind:

Vermeiden Sie rechte Winkel: Vermeiden Sie Winkel von 45 Grad bis 90 Grad für Vias, Leiterbahnen und andere Teile. Die Kapazität nimmt zu, wenn die Leiterbahnen Winkel über 45 Grad erreichen. Dadurch ändert sich der Wellenwiderstand, was zu Reflexion führt. Diese Reflexion führt zu EMI. Sie können dieses Problem vermeiden, indem Sie Leiterbahnen abrunden, die um eine Ecke gebogen werden müssen, oder sie durch zwei oder mehr Winkel von 45 Grad oder weniger führen.

Signale getrennt halten: Halten Sie High-Speed-Spuren von Low-Speed-Signalen und analoge Signale von digitalen getrennt. In unmittelbarer Nähe kann es zu Interferenzen kommen.

Rückwege verkürzen: Rückstrompfade so kurz wie möglich halten und auf Pfaden mit dem geringsten Widerstand verlegen. Rückpfade sollten ungefähr so lang wie Sendespuren oder kürzer sein.

Gedankenabstand: Zwei parallel laufende Hochgeschwindigkeitssignale erzeugen EMI durch Übersprechen, bei dem eine Spur der „Aggressor“ und die andere das „Opfer“ ist. Der Angreifer beeinflusst die Opferspur durch induktive und kapazitive Kopplung, wodurch Vorwärts- und Rückwärtsstrom in der Opferspur erzeugt wird. Sie können das Übersprechen minimieren, indem Sie einen Mindestabstand zwischen den Spuren einhalten. Trennen Sie die Leiterbahnen im Allgemeinen um die doppelte Leiterbahnbreite. Wenn die Leiterbahnen beispielsweise fünftausendstel Zoll breit sind, halten Sie zwischen zwei parallelen Leiterbahnen einen Mindestabstand von zehntausendstel Zoll oder mehr ein.

Durchkontaktierungen sorgfältig verwenden: Durchkontaktierungen sind im PCB-Design notwendig, da Sie beim Routing mehrere Schichten in Ihren Platinen nutzen können. Designer müssen jedoch vorsichtig sein, wenn sie sie verwenden. Vias fügen der Mischung ihre eigenen Induktivitäts- und Kapazitätseffekte hinzu, was möglicherweise zu Reflexionen aufgrund von Änderungen der charakteristischen Impedanz führt. Durchkontaktierungen erhöhen auch die Leiterbahnlänge, die angepasst werden muss. Vermeiden Sie nach Möglichkeit die Verwendung von Durchkontaktierungen für differenzielle Leiterbahnen. Wenn dies jedoch nicht möglich ist, verwenden Sie sie in beiden Traces, um die Verzögerung zu kompensieren.

3. Komponentenanordnung

Elektronische Bauteile sind die Bausteine einer elektronischen Schaltung. Eine unsachgemäße Anordnung kann jedoch mehrere EMI-Probleme verursachen. Achten Sie beim Entwerfen einer Leiterplatte auf die EMI-Auswirkung jedes Teils. Einige Best Practices für das Komponentenlayout im PCB-Design umfassen die folgenden:

Getrennte analoge und digitale Teile: Trennen Sie wie bei Leiterbahnen immer analoge und digitale Schaltungen und Komponenten. Das Platzieren von analogen und digitalen Schaltungen in unmittelbarer Nähe kann unter anderem zu Übersprechen führen. Um dies zu vermeiden, verwenden Sie Abschirmung, mehrere Schichten und separate Erdungen, um analoge und digitale Signale so weit wie möglich voneinander entfernt zu platzieren. Im Allgemeinen ist es am besten, analoge und digitale Signale komplett getrennt zu halten.

Separate Analog- und Hochgeschwindigkeitsteile: Analoge Schaltungen führen hohe Ströme, was Probleme bei Hochgeschwindigkeitsspuren und Schaltsignalen verursachen kann. Halten Sie diese voneinander fern und schützen Sie analoge Schaltungen mit Massesignal. Verlegen Sie auf mehrschichtigen Leiterplatten analoge Leiterbahnen so, dass zwischen der analogen Schaltung und den Schalt- oder Hochgeschwindigkeitssignalen eine Masseebene vorhanden ist.

Seien Sie vorsichtig mit Hochgeschwindigkeitskomponenten: Je schneller und kleiner die Komponente ist, desto größer ist wahrscheinlich die Menge an EMI, die sie erzeugt. Sie können diese natürliche EMI durch Abschirmung und Filterung bekämpfen, obwohl es auch eine gute Idee ist, diese Komponenten im Platinendesign von anderen zu trennen. Eine weitere zu ergreifende Maßnahme besteht darin, Hochgeschwindigkeitssignale und -takte so kurz wie möglich und neben der Masseebene zu halten. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, Nebensprech-, Rausch- und Strahlungspegel unter Kontrolle zu halten und innerhalb der akzeptablen Pegelgrenzen zu halten.

4. EMI-Abschirmung

Einige Komponenten erzeugen EMI, unabhängig davon, welche Designregeln Sie befolgen – insbesondere kleine Hochgeschwindigkeitsteile. Glücklicherweise können Abschirmung und Filter die Auswirkungen dieser EMI auf ein Minimum reduzieren. Einige Schutz- und Filteroptionen beinhalten die folgenden:

Komponenten- und Platinenabschirmung: Physische Abschirmungen sind metallische Gehäuse, die eine Platine ganz oder teilweise einkapseln. Ihr Ziel ist es, zu verhindern, dass EMI in die Schaltkreise der Platine eindringt, obwohl die spezifischen Methoden je nach Quelle der EMI variieren. Für EMI, die aus dem Inneren des Systems kommen, können Komponentenabschirmungen verwendet werden, um eine bestimmte Komponente zu umschließen, die EMI erzeugt – und so eine Verbindung zur Erde herstellt, die Größe der Antennenschleife reduziert und EMI absorbiert. Andere Abschirmungen können die gesamte Platine umschließen, um sie vor EMI von externen Quellen zu schützen. Ein Faraday-Käfig zum Beispiel ist ein dickes Schutzgehäuse, das dazu dient, HF-Wellen zu blockieren. Diese Geräte bestehen normalerweise aus Metall oder leitfähigem Schaumstoff.

Tiefpassfilterung: Manchmal kann eine Leiterplatte Tiefpassfilter enthalten, um hochfrequentes Rauschen von Komponenten zu eliminieren. Diese Filter unterdrücken das Rauschen von diesen Teilen, sodass der Strom ungestört auf dem Rückweg weiterlaufen kann.

Kabelschirmung: Kabel, die analoge und digitale Ströme führen, verursachen die meisten EMI-Probleme. Sie erzeugen diese Probleme, indem sie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten erzeugen – ein besonderes Problem für Hochfrequenzsignale. Glücklicherweise trägt das Abschirmen dieser Kabel und deren Erdung an der Vorder- und Rückseite dazu bei, EMI-Störungen zu unterdrücken.

EMC-Design von Millennium Circuits Limited

Da die Technologie fortschreitet und Probleme mit elektromagnetischen Interferenzen zunehmen, muss Ihr Unternehmen in Ressourcen investieren, um sich auf die Zukunft vorzubereiten. Elektromagnetische Probleme werden immer weiter fortgeschritten sein, und es ist der beste Weg, diese Probleme zu vermeiden und Ihr Unternehmen auf den zukünftigen Erfolg vorzubereiten, indem Sie über die neuesten Best Practices auf dem Laufenden bleiben. Ein Teil davon sollte eine Partnerschaft mit einem Qualitätslieferanten für Leiterplatten beinhalten. Ihr Lieferant bereitet Ihr Unternehmen darauf vor, jedes PCB-Projekt zu bewältigen, das Ihnen in den Weg kommt. Millennium Circuits Limited kann Ihnen dabei helfen, dorthin zu gelangen.

Millennium Circuits Limited, auch bekannt als MCL, ist ein branchenführender Leiterplattenlieferant, der Ihre Leiterplatten hier in den USA herstellen kann. Unser Ziel ist es, Ihnen die besten Leiterplatten zu liefern, die fachmännisch entwickelt und zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten werden.

Wir können Offshore-Fertigung anbieten, um Ihnen zu helfen, Ihre Kosten zu senken und Ihr Budget einzuhalten. Wenn Sie einen einzigartigen Platinentyp benötigen, können unsere sachkundigen Fachleute nahezu jede Art von Leiterplatte herstellen, die Sie sich vorstellen können, von flexiblen und keramischen Platinen bis hin zu digitalen Hochgeschwindigkeitsplatinen und mehr. Wir können Ihnen dabei helfen, die richtigen Oberflächenveredelungen, Durchkontaktierungen und Merkmale zu finden, um das gewünschte Board in der Qualität zu erhalten, die Sie verdienen.

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