PCB-Layout für überlegene EMV-Leistung in der Elektronik optimieren

Masse in PCB

Einfluss von Gleichtaktstörung auf PCB-internes Signal

PCB-interne Leiterbahnen weisen parasitäre Parameter bezüglich Referenzmasseebene auf. Bei Signalübertragung im PCB ist derselbe equipotentielle Knoten im selben Netzwerk nicht mehr equipotentiell. Strom i im PCB startet am Quellenende, durchläuft Träger, kehrt zur Signalquelle zurück – bildet Signal. i fließt tendenziell entlang Pfad geringster Impedanz → i bleibt bei stabiler Impedanz unverändert.

Abb. 1 zeigt Prozess: Gleichtaktstörung → Differentialmodusstörung im PCB. i_d = Differentialmodusstrom im PCB; i_com = Gleichtaktstrom, der entweder von außen über Referenzmasse in PCB fließt oder von innen über Referenzmasse nach innen zurückkehrt. Hochfrequenter i_com hat zwei Pfade: 1) Punkt A → B im PCB ab GND; 2) Punkt A → B ab Port S₁ über Kapazität C in PCB. Massenimpedanz Z_AB erzeugt Δu_AB; beim Durchgang normales Signal zu IC₂ → Signalverformung, Gleichtakt → Differentialmodusstörung nach u₂ = u₁ − Δu_AB.

Sobald i_com über I/O-Port oder Strahlung in PCB eindringt, kann Differentialmodus-Filterkapazität auf Signalleitungen Störung nur über Masse ableiten. Voraussetzung: Masse als niederohmig für Signalrückfluss; Strom fließt immer Richtung niederster Impedanz.

Schlüssel der EMV-Design-Implementierung: Massenimpedanz in PCB

Grund für EMV-Erzeugung durch Hochfrequenzsignale: Signalreferenzpegel GND hält Niederimpedanz nicht. Mit steigender Referenzimpedanz Z_GND sinkt Signalübertragungsqualität. Zur Hochfrequenzstörungslösung: EMV-Design nutzt Filter, Masse, Schirmung – alle eng mit „Masse“ verknüpft.

Filter = Kondensator zur Masse; zwei Strukturen: X-Kondensator an Signalreferenzmasse oder Signal an Metallgehäuse über Y-Kondensator/unterschiedliche Masseverbindung im PCB. Schirmung = Erweiterung der PCB-Masse in den Raum. Zweck Filter/Schirmung: Hochfrequente Gleichtaktstörung über niederohmigen Bypass ableiten, um Eintritt in Nutzsignal zu verhindern. Alle Methoden versagen, wenn Masse nicht niederohmig.

Abb. 2 zeigt Effekt Massenimpedanz auf Schaltungsfilter. i_com fließt IC₁→IC₂→IC₁; am Punkt P fließt i_com in Zweigkreise IC₁ und C₁ (Punkt A→B). Wenn Impedanz A-B (Z_AB) weit kleiner als Impedanz P-IC₁: i_com fließt P→A, IC₁-Filter realisiert. Bei Punkt B: Zweige B→C und B→Q. Bei schlecht kontrolliertem Layout: Z_BC ≫ Z_C2+Z_Q (Z_Q = Impedanz Q-IC₂). i_com fließt rückwärts zu IC₂-Eingang über C₂ – ursprünglich nur für IC₂ gedachter Kondensator wird Signal-Invasions-Störquelle.

Für Referenzpegel mit Niederimpedanz: meist als Fläche designed. Allgemein: Leiter mit Länge-Breite-Verhältnis <5 gilt in Ingenieurspraxis als niederohmig. Leiterimpedanz nicht durch Länge/Dicke bestimmt. Traditionelle PCB-Prinzipien: Analog-Einpunktmasse massiv empfohlen – Digital-Mehrpunktmasse und Digitalmodul-Mischmasse nicht mehr für EMV-Probleme tauglich.

Da alle Signalrückflüsse integrierte Masse mit Niederimpedanz brauchen: 4-Lagen-/Multilayer-Boards mit integrierter Masseebene erfüllen Anforderung; Low-Cost-Einzelplatinen nicht. Muss Doppelplatine verwendet werden (Kostenlimit): relativ integrierte Masseebene für interne Signale designen. Praktisch: PCB-Massenimpedanz wird von Form und Signalleiter-Durchkontaktierungen, Rissen, Schlitzen beeinflusst. Abb. 3a/3b = schlechte vs. exzellente niederohmige Masseebene.

In Abb.: Alle Bauteile Vorderseite, Masseebene Rückseite. Chips über Leiterbahnen ab (Vorderseite) verbunden; cd = Leiterbahnen Rückseite. Unter Hochfrequenz-Gleichtaktstörung von außen: Schlitz durch cd erhöht Z_GND der Rückfluss-Leiterbahnen. Z_GND schwankt bei Signalübertragung → niedrige Signalqualität. Lösung: Leiterbahnlagen zwischen cd im PCB-Layout durch Vias mehrfach austauschen → Z_GND verringern. Zudem: zwei ICs mit empfindlichen Signalen zusammen anordnen → lokal integrierte Masseebene → Signal ungestört. Achtung: Vias nicht zu dicht → Riss in Masseebene → Z_GND Erhöhung.

Stacking-Design (Layer-Aufbau) von PCBs

EMV-Design optimal für 4-Lagen-PCBs. EMS-Perspektive: Metallgehäuse oder lokaler Metallgehäuse-Schirm empfindlicher Schaltungen löst Störprobleme. EMI-Perspektive: Manchmal 4-Lagen nicht ausreichend für Strahlungsgrenzwerte → Lagenanzahl erhöhen. Multilayer-Boards ermöglichen Signale mit hohem du/dt und di/dt kleinere Signalschleifenfläche → niederohmiger Rückfluss für High-Speed-Signale.

Grundprinzip PCB-Stacking: High-Speed-Signallage und Spannungsebene adjacent zu Masseebene anordnen. Abb. 4 zeigt 4-Lagen- und 6-Lagen-Stacking. S₁ in Abb. 4a = High-Speed-Signallage; Abb. 4b, 4c, 4d = drei gängige 6-Lagen-Designs.

Unter den 3 6-Lagen-Designs: Design b = schlechtestens; S₂ sollte High-Speed-Signallage sein. Design c/d: S₂ = High-Speed-Signallage. Design c = bestes, da jede Signallage eng an Masseebene angrenzt → kürzester Signalrückweg; S₂ und P durch GND₁ und GND₂ geschirmt. Vs. Design c: S₃ in Design d fern von GND-Lage; P nur Einseiteneffekt vs. Doppelseiteneffekt Design c.

Äquivalente Antenne in PCBs

Grundfunktion Antenne: Wireless-Wellen abstrahlen/empfangen. Strahlung: Hochfrequenzstrom → elektromagnetische Welle; Empfang: elektromagnetische Welle → Hochfrequenzstrom. EMV-Strahlung = mainly Fernfeldstrahlung. Antennenbildung: zwei Bedingungen: HF-Signalquelle + bestimmte Leiterlänge daran. Ingenieursglaube: Antenneneffekt bei l = λ/20. Bei l = (λ/4)n (n = Natürliche Zahl) = maximaler Antenneneffekt.

Bei Signalübertragung im PCB: Innere Schleife = Schleifenantenne. Größere Schleifenfläche = stärkerer Antenneneffekt. Strenge PCB-Schleifenkontrolle stoppt Differentialmodusstörung effektiv – praktisch machbar. Aber: Leiterbahnverlängerung verursacht offensichtlichen Stabantenneneffekt → Verbindungslängen so weit wie möglich kürzen im PCB-Layout.

Bei relativ hohem Z_GND auf Rückflussweg hochfrequenter du/dt-Signale im PCB: Gleichtakttreiberquelle u_com entsteht mit i_com durch Z_GND + verbundene Leiterbahnen/I/O-Leitungen → Außenstrahlung.

Bei relativ kleinen PCBs: Innere Leiterbahnen erreichen Antennenstrahlungsanforderung nicht (Längenlimit). Dann: I/O-Kabel = Erweiterung der Leiterbahnen → Strahlungsanforderung erfüllbar. Auch ohne direkte I/O-Verbindung: Übersprechkoppplung zwischen I/O-Kabeln stoppen.

Übersprechen (Crosstalk) im PCB & Gegenmaßnahmen

Kopplung zwischen PCB-Leiterbahnen und Referenzmasse

EMV diskutiert hauptsächlich HF-Gleichtaktsignale; Verteilerparameter innen/außen PCB unvermeidbar. Kapazitive Kopplung PCB ↔ Referenzmasse; verteilte Kapazität = Plattenkapazität + natürliche Kapazität im kleinsten Raum. Plattenkapazität ∝ PCB-Größe, ∝ 1/Abstand PCB-Masse. Natürliche Kapazität ∝ äquivalenter Leiterbahndurchmesser. Daher: Egal wo PCB platziert, selbst unendlich fern von Masse – verteilte Kapazität zwischen internen Leiterbahnen und Masse existiert immer. In PCB: verteilte Kapazität integrierter GND-Ebene zu Referenzmasse ≈ 10 pF; interne Leiterbahnen zu Referenzmasse ≈ 0,001–0,1 pF oder niedriger. Leiterbahnen PCB-Mitte: weit niedriger als PCB-Rand.

Kopplung innerhalb PCB

a. Theorie innerer Kopplung & Einfluss auf Signal

Innere Kopplung = kapazitiv + induktiv; Theorie Abb. 5.

Abb.: AB und CD = parallele Leiterbahnen mit kleinem Abstand. Z₀ = Träger Signalleitung 1; Z₁, Z₂ = Träger Signalleitung 2. Abb. 5a: Signalspitzenspannung auf AB = u, Anstiegszeit Δt, Winkelgeschwindigkeit ω → Spannung an Z₂: u_v = [Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]·c·Δu/Δt. Obwohl c sehr klein, kann Δu/Δt sehr hoch → Produkt nicht vermeidbar. Abb. 5b: Signalspitzenstrom auf AB = I_c, Anstiegszeit Δt, ω → gegenseitige Induktivität m induziert Spannung auf CD: u_v = m·ω·i_c. Obwohl m klein, Frequenz steigerbar → Produkt nicht vermeidbar.

Beide Kopplungen hängen von verteilter Parameter c oder m zweier paralleler Leitungen ab. PCB-Layout: c und m reduzierbar durch Vergrößerung Abstand paralleler Leitungen. Praxis: Kapazitive Kopplung dominiert Digital; bei unebener PCB-Ebene/Schlitzen/Rissen: induktives Übersprechen dominanter. Bei begrenztem PCB-Bereich: Crosstalk nicht allein durch Abstandsvergrößerung lösbar. Für minimalste verteilte Parameter zwischen parallelen Leitungen: Integrierte Ebenen-Design in Projektionsbereich; optimal: Masselagen oben und unten.

b. Einfluss Schirm-Masseleitung auf Crosstalk-Reduktion

Crosstalk-Grad bestimmt durch: Signalfrequenz, Anstiegsflankenzeit, Abstand Signalleitungen, Treiber-/Empfänger-Eigenschaften, PCB-Lagenanzahl. Crostalk reduzierbar durch integrierte Masseebene unter Leiterbahnen + Schirm-Masseleitung zwischen Signalen.

PCB-Layout: zwei Aspekte gegen Crosstalk: 1) Empfindliche Innen-/Außenkreise stoppen. 2) Crosstalk zwischen Innenkreis/Störkreis und anderen Signalen stoppen. Praktisch: Detaillierter Test in gleicher Lage oder zwischen Lagen auf Crosstalk-Risiko.

Bei PCB-Layout: Signalleitungen gleicher Attribute sollten simultan, gleiche Richtung, dicht geroutet werden. Wenn PCB-Platzlimit Filterbauteile nicht auf gleicher Linie erlaubt → Crosstalk zwischen Signalen wahrscheinlich. Situation Abb. 6.

c. Einfluss Schirm-Masseleitung auf Rand-Effekt

Hochempfindliche Signalleitungen oder hohe du/dt, di/dt an PCB-Rand → höheres EMV-Risiko als Zentrum. Rand-Leitungen empfangen leichter HF-Störung/Außenstrahlung durch größere parasitäre Kapazität.

Unter PCB-Flächenlimit: 20H-Prinzip im Designfile extrem schwer umsetzbar. „Packet“ (Umschließung) reduziert Störung/Außenstrahlung. Packet-Leitungen brauchen keine spezifischen Dicke/Form-Anforderungen. Meist: Signalleitung zu nah an PCB-Rand für Kupferbeschichtung → 7–10 mils Masseleitung als Schirm hinzufügen.

d. Gegenseitige Störung Digital/Analog

PCB mit High-Speed-Digital und Low-Level-Analog: Crosstalk auf Analog durch Digitalrauschen bei schlechtem Layout. Ursachen: 1) Crosstalk-Rauschen durch parasitäre C/L. 2) Schlechte Entkopplung Power-Ripple/Digital-Chip-Power → Power-Rauschen. 3) Massenimpedanz & System-Masseplatz → Rauschen. Rauschproblem in Reihenfolge lösen: Power, Signal, Masse.

Weiterführende Ressourcen:
• Umfassendste Einführung EMI/EMV automatisierte Tools
• First-Time-Success PCB EMV-Design sicherstellen
• PCB-Partitionierungs-Designregeln für EMV-Verbesserung
• PCB-Design für RF-Schaltung & EMV
• Drei Designüberlegungen für EMV von Laptop-PCB
• Vollumfänglicher PCB-Fertigungsservice PCBCart – Mehrere Mehrwert-Optionen
• Fortschrittlicher PCB-Bestückungsservice PCBCart – Ab 1 Stück