EMC PCBs: Zuverlässige Lösungen zur Minderung elektromagnetischer Störungen

Haben Sie schon erlebt, dass ein Fernseher Radiosignale stört? Oder haben Sie sich gefragt, warum Sie elektronische Geräte beim Boarden eines Flugzeugs ausschalten müssen? Der Grund ist simpel: elektromagnetische Störungen (EMI). EMI ist ein ziemlich häufiges Phänomen bei elektronischen Geräten. Die Frage hier ist: Wie kontrollieren Sie EMI? Hier kommt das EMC PCB ins Spiel. Zwar können Sie EMI nicht eliminieren, aber Sie können dessen Auswirkungen reduzieren und Störungen mit diesem PCB-Design verhindern.

Lesen Sie weiter, um mehr über EMC PCBs und deren Design zu erfahren.

Was ist EMI/EMC in PCBs?

EMI ist wie eine Krankheit, die elektronische Schaltungen befällt. Tatsächlich ist es eine elektronische Störung, die die Signalqualität jeder elektronischen Schaltung verfälscht und Fehlfunktionen verursacht. Zudem ist diese elektronische Störung Energie, die durch Leitung oder Strahlung von elektronischen Geräten wandert.

Interessanterweise kann EMI das Gerät, das die Störung erzeugt, und andere Geräte in unmittelbarer Nähe beeinträchtigen. Elektromagnetische Störungen können bei jeder Frequenz auftreten, beginnen aber meist jenseits von 50 MHz.

Andererseits ermöglicht EMC (Elektromagnetische Verträglichkeit) elektronischen Systemen, ohne starke EMI-Aussendung zu arbeiten. Es erlaubt einem System auch, optimale Leistung unter sicheren Bedingungen zu bestimmen.

Alle elektronischen Geräte, die Sie bauen, dürfen nicht von den EMI/EMC-Standards abweichen. Andernfalls wird EMI die Leistung kontinuierlich beeinträchtigen. Daher müssen Sie EMI beim Design Ihrer PCBs kontrollieren.

Zudem ist es nicht einfach, EMI nach Abschluss Ihrer Designs zu kontrollieren. Tatsächlich werden Sie viel Geld ausgeben, was das Problem möglicherweise nicht löst.

Ein EMC-Board-Design erfordert daher Fokus auf PCB-Layout, Bauteilauswahl und Schaltungsdesign.

Design-Richtlinien für EMI und EMC

Obwohl Sie kein PCB mit niedriger oder null elektromagnetischer Störung designen können, können Sie eines erstellen, das keine intolerablen EMI erzeugt. Wir haben einige Design-Richtlinien, die unerwünschte EM-Emissionen reduzieren helfen.

1. Surface-Mount Devices (SMD) gegenüber Durchsteckbauteilen (Leaded Devices) bevorzugen

Wenn Sie den EMI-Standard einhalten wollen, sind SMDs die Wahl für Ihre Bauteile. Durchsteckbauteile (Leaded Components) haben höhere Induktivitätseigenschaften und erzeugen Frequenzen über 100 MHz. Aus diesem Grund würde die Verwendung mehrerer Durchsteckbauteile auf Ihrem Board übermäßiges Rauschen verursachen.

Surface-Mount Devices hingegen haben niedrigere Induktivitätseigenschaften und höhere Dichte. Daher können SMDs helfen, EMC/EMI-Probleme zu reduzieren.

2. Leiterbahn-Layout (Trace Layout) korrekt planen und abstandieren

Ihre PCBs haben ohne Leiterbahnen keine Stromtragfähigkeit. Wenn jedoch Biegungen oder Kreuzungen auf Ihren Pfaden vorhanden sind, entsteht eine Antenne. Und das wollen wir vermeiden.

Hier sind einige Standardregeln für das Leiterbahn-Design:

• Halten Sie stets mindestens 3W Abstand zwischen Ihren Leiterbahnen (W = Breite). Trennen Sie auch alle Signale von anderen Pfaden. Mit dieser Regel minimieren Sie Kopplung und Übersprechen (Crosstalk) zwischen benachbarten Leiterbahnen.
• Verwenden Sie keine rechtwinkligen Biegungen für Ihre Leiterbahnen. Nutzen Sie stattdessen 45-Grad-Winkel. Warum? Weil rechtwinklige Biegungen die Kapazität erhöhen und den Impedanzwert ändern – was Reflexionen erzeugt.

• Halten Sie Ihre differentiellen Leiterbahnen beim Routing eng beieinander. Das maximiert den Kopplungsfaktor und kontrolliert Rauschen.
• Nutzen Sie Vias (Durchkontaktierungen) nur bei Bedarf. Versuchen Sie, Vias so weit wie möglich zu vermeiden.

Vias können parasitäre Induktivität verursachen, aufgrund des Impedanzunterschieds zwischen Via und Leiterbahn. Wenn Sie Vias nicht vermeiden können, platzieren Sie Ihre Masse-Vias nah an den Signal-Vias.

• Stubs (Stummeleitungen) funktionieren nicht bei Hochfrequenz- und empfindlichen Leiterbahnen. Stubs erzeugen Reflexionen und können potenziell eine Wellenlängen-Antenne zu Ihrer Schaltung hinzufügen.

3. Korrekte Masseebenen (Ground Planes) verwenden

Sie müssen ausschließlich Masseebenen mit niedrigen Induktivitätswerten verwenden. Andernfalls zunichte machen Sie Ihre Bemühungen zur Bekämpfung von EMC-Problemen.

Glücklicherweise erhalten Sie eine Masseebene mit niedriger Induktivität, indem Sie den Massebereich Ihres PCBs vergrößern. Das würde auch Übersprechen und EM-Erzeugung reduzieren. Sehen wir uns einige empfohlene Design-Tipps an.

Hinweis: Verbinden Sie Ihre Bauteile nicht willkürlich mit Massepunkten. Das ist keine gute Praxis.

• Sie müssen keinen Platz auf Ihrer Masseebene sparen. Nutzen Sie stattdessen jeden Zentimeter, um von ihrem geringen Induktivitätswert zu profitieren.
• Sie können nicht immer Masseebenen für zweilagige PCBs verwenden. Aber Sie können Massegitter (Ground Grids) nutzen, und der Abstand zwischen ihnen bestimmt ihre Induktivitätswerte.
• Tatsächlich sind lange Rückführpfade (Long Return Paths) für EMC-PCBs nicht nötig. Stattdessen hat ein kurzer Rückführpfad bessere EMC-Leistung wegen seiner niedrigeren Impedanz.
• Isolieren Sie zudem störende Umgebungen mit einem Faradayschen Käfig-Ring. Sie können einen Faraday-Cage-Ring erstellen, indem Sie Masse am Platinenrand einbeziehen. Der Käfig verhindert dann, dass Signale außerhalb der Grenze geroutet werden.
• Tatsächlich können geteilte Öffnungen (Split Apertures) Ihre Schaltung durcheinanderbringen, seien Sie also vorsichtig bei deren Nutzung. Split Apertures können nicht-uniforme Bereiche erzeugen, die die Impedanz erhöhen.
• Platzieren Sie zudem Niederspeed-Schaltungen nah an der Stromebene (Power Plane) und High-Speed-Schaltungen nah an der Masseebene.
• Lassen Sie keine freischwebenden Kupferfüllbereiche (Floating Copper Fill Areas). Halten Sie sie stets geerdet, sonst erzeugen Sie eine Antenne.

4. PCB-Lagen (Layers) richtig anordnen

Die Lagenanordnung Ihres PCBs bestimmt ebenfalls dessen EMC-Leistung. Wenn Sie zwei- oder mehrlagige Boards designen, sollten Sie eine gesamte Lage der Masseebene widmen. Vierlagige Boards sollten jedoch eine Stromebene unter der Masseebene haben.

Hier sind einige Design-Richtlinien für die Anordnung von PCB-Lagen:

• Erstens: Nutzen Sie Massegitter, wenn Sie keine gesamte Lage für die Masseebene auf einem zweilagigen Board widmen können.
• Zweitens: Stellen Sie sicher, dass die Masseleiterbahnen parallel zu Ihren Stromleiterbahnen verlaufen, besonders bei separater Ebene.
• Drittens: Wenn Ihr PCB-Design mehr als vier Lagen hat, empfehlen wir folgende PCB-Anordnung: Signallage – Masselage – Stromlage – Signallage.

5. Abschirmung (Shielding) nutzen

Abschirmung ist eine effektive Methode zur Bekämpfung von EM-Emissionen. Mit leitfähigen/magnetischen Materialien schützen Abschirmhauben Signale vor externen Störungen und verhindern Informationsverlust.

Wir empfehlen Kabelabschirmung (Cable Shielding). Warum? Weil Kabel eine bedeutende EMI-Quelle sind, besonders solche, die analoge und digitale Signale übertragen. Diese Kabel haben auch hohe parasitäre Kapazität und Induktivität.

Sie können solche EMI-Probleme jedoch durch Kabelabschirmung verhindern.

6. Alle empfindlichen Bauteile trennen

Ein EMC-freundliches Design erreichen Sie nicht, indem Sie alle Bauteile zusammenballen. Stattdessen trennen Sie sie nach ihren Betriebssignalen: digital, analog, low-speed, high-speed und Stromversorgungssignale.

Ein weiterer Schritt: Trennen Sie die Signalpfade jeder Gruppe und ordnen Sie sie in ihren spezifischen Bereich ein. Ein Filter wäre großartig, wenn ein Signal durch verschiedene Subsysteme fließt.

EMC-Standards

Obwohl es verschiedene Versionen von EMC-Standards gibt, lassen sich die meisten von IEC-Standards inspirieren.

Diese EMC-Standards schufen zwei Anforderungen, die jedes elektronische Gerät erfüllen muss:

• Elektronische Geräte dürfen keine negativen elektromagnetischen Störungen an andere Geräte erzeugen und aussenden.
• Elektronische Geräte müssen auch EMI von anderen Geräten widerstehen können.

Hier klicken für mehr Informationen zu den verschiedenen EMC-Standards.

Weitere Vorsichtsmaßnahmen für PCB EMC-Designs

Hier sind einige Tipps, um die Leistung Ihres EMC-PCB-Designs zu steigern.

1. Seien Sie vorsichtig beim Design oder der Platzierung Ihrer Oszillator-Layouts. Halten Sie alle Oszillator-Tank-Schleifen fern von Analogschaltungen, Steckverbindern und Low-Speed-Signalen. Denken Sie daran: Dieser Tipp gilt für den PCB- und den Gehäuseraum des Boards.
2. Wissen Sie auch, dass nicht alle PCBs gleich sind. Einige Designs erfordern gefilterte Steckverbinder, um Rauschen herauszufiltern. Zudem müssen Sie Ihren Steckverbinder ans Gehäuse und an die PCB anbinden (Tether).
3. Führen Sie keine High-Speed- oder rauschenden Leitungen nah am Platinenrand. Rauschende Leiterbahnen können leicht Rauschen aufnehmen, daher müssen Sie sie von Bereichen fernhalten, die Rauschen erzeugen. Diese Bereiche umfassen Oszillatorschaltungen, Relais-Treiber, Steckverbinder und Relais.
4. Zusätzlich erfordern einige PCBs Filterung an bestimmten Leitungen. Eine einfache Lösung dafür sind Ferritperlen (Ferrite Beads). Ferritperlen können Hochfrequenzsignale begrenzen und für die Entkopplung von Versorgungsleitungen arbeiten.
5. Halten Sie Kabelbäume (Cable Assemblies) fern von einem Oszillator oder einem Bereich mit Mikrocomputer in Ihrem Design. Kabelbäume können die EMC-Leistung verschlechtern, da sie Rauschen aufnehmen und durch Ihren gesamten Schaltkreis tragen.

Unterschied zwischen EMI und EMC?

Wie bereits erwähnt, ist EMI jedes Rauschen, das andere Signale bei der Übertragung oder dem Empfang von Daten oder Informationen verfälscht.

Zudem gibt es zwei Arten, wie EMI auftreten kann. Eine ist durch die Luft (Strahlung), die andere, wenn ein Leiter sie auf ein anderes Material überträgt (geleitete EMI).

Im Gegensatz dazu ist EMC die Fähigkeit eines Geräts, gefährliche EMI-Pegel zu widerstehen und normal weiterzuarbeiten. Geräte mit gutem EMC-Standard erzeugen keine intolerablen EMI und haben keine gestörten Signale und Operationen.

Zusammenfassung

Elektromagnetische Störung ist ein mächtiges Phänomen, das Informationsverlust und schwere Systemstörungen verursachen kann. Es ähnelt dem fiktiven elektromagnetischen Impuls, der alle elektronischen Geräte in Reichweite stören kann.

Wir können EMI jedoch mit EMC-freundlichen Boards bekämpfen. Diese Boards haben eine spezifische Immunität, die sie vor Signalstörungen schützt. EMC-PCBs erzeugen auch keine hohen EMI-Pegel, sodass sie umliegende Geräte nicht beeinträchtigen.

Möchten Sie ein EMC-PCB für Ihr nächstes Projekt bauen? Kontaktieren Sie uns gerne – wir helfen Ihnen weiter.