PCB-Störungsbeherrschung meistern: Professioneller Leitfaden für EMC-Konformität

Mit der stetigen Weiterentwicklung der Informationstechnologie werden elektronische Produkte in Funktion, Kategorie und Struktur zunehmend komplexer, was das PCB-Design in Richtung Mehrlagigkeit und hohe Dichte treibt. Daher muss der EMC (Elektromagnetische Verträglichkeit) im PCB-Design große Aufmerksamkeit gewidmet werden, da EMC-Design nicht nur den normalen, stabilen Betrieb aller Schaltungen auf der Platine sicherstellt, damit sie sich nicht gegenseitig stören, sondern auch die Strahlungsemission und geleitete Emission des PCBs effektiv verringert, um Schaltungen vor externer Strahlung und Leitung zu schützen. Störungen sind der Hauptfeind der EMC. Doch Ingenieure – ab diesem Artikel müssen Sie sich keine Sorgen mehr machen.

Klassifizierung von PCB-Störungen

PCB-Störungen lassen sich in drei Kategorien einteilen:

1. Layout-Störungen – Störungen durch ungeeignete Bauteilplatzierung auf dem PCB.
2. Stacking-Störungen – Rauschstörungen durch unwissenschaftliche Layer-Aufbau-Einstellungen.
3. Routing-Störungen – Störungen durch unsachgemäße Einstellungen von Abständen zwischen Signal-, Leistungs- und Erdungsleitungen, Leitungsbreiten oder unwissenschaftlichen Routing-Methoden.

Basierend auf dieser Klassifizierung können entsprechende Unterdrückungsmaßnahmen aus der Perspektive von Layout-Regeln, Stacking-Strategie und Routing-Regeln ergriffen werden, um den Einfluss von PCB-Störungen zu reduzieren oder zu eliminieren und die Kompatibilität mit EMC-Design-Standards zu gewährleisten.

Entsprechende Unterdrückungsmaßnahmen basierend auf Störungsklassifizierung

Unterdrückungsmaßnahmen für Layout-Störungen

Der Schlüssel zur Vermeidung von Layout-Störungen liegt in einem sinnvollen PCB-Layout, das den folgenden sechs Regeln folgen sollte:

1. Die Schaltkreisposition jedes Funktionsmoduls sollte gemäß Signalstromlage und -flussrichtung sinnvoll festgelegt werden; die Flussrichtungen sollten möglichst gleich gehalten werden.
2. Das Kernbauteil im Modul-Schaltkreis sollte im Zentrum platziert werden; Leitungen zwischen Bauteilen – besonders Hochfrequenzbauteile – sollten so kurz wie möglich gehalten werden.
3. Temperatursensible Elemente und Chips sollten weit entfernt von wärmeerzeugenden Bauteilen integriert werden.
4. Steckverbinderposition sollte gemäß Bauteilpositionen auf der Platine bestimmt werden. Steckverbinder sollten an einer PCB-Seite platziert werden, um Kabelausführung von zwei Seiten zu vermeiden und Common-Mode (CM) Stromstrahlung zu verringern.
5. I/O-Treiber sollten eng am Steckverbinder platziert werden, um lange I/O-Signal-Leitungen auf der Platine zu vermeiden.
6. Temperatursensible Elemente dürfen nicht zu nah beieinander platziert werden; Ein- und Ausgabebauteile sollten ebenfalls fern von ihnen positioniert werden.

Unterdrückungsmaßnahmen für Stacking-Störungen

Zunächst sollten PCB-Design-Informationen umfassend beherrscht werden, einschließlich Signalleitungsdichte, Leistungs- und Erdungsklassifizierung, um Leistung und Lagenzahl zur Sicherstellung der Schaltkreisfunktion zu bestimmen. Die Qualität der Stacking-Strategie ist im Wesentlichen mit der Transientenspannung der Erdungs- oder Leistungsebene und der elektromagnetischen Abschirmung von Leistung und Signalen korreliert. Basierend auf praktischer Stacking-Design-Erfahrung sollte der Stacking-Aufbau folgenden Regeln folgen:

1. Erdungs- und Leistungsebene sollten benachbart zueinander sein; der Abstand zwischen ihnen sollte so klein wie möglich sein.
2. Signalebene sollte eng an Erdungs- oder Leistungsebene angrenzen. Einlagig oder mehrlagig ist gleichermaßen möglich.

Bei Ein- oder Doppellagen-PCB-Design sollten Leistungs- und Signalleitungen sorgfältig gestaltet werden. Um die Schleifenfläche des Leistungsstroms zu reduzieren, sollten Erdungs- und Leistungsleitungen eng beieinander und parallel verlaufen. Bei Einlagen-PCBs sollten Schutz-Erdungsleitungen an beiden Seiten wichtiger Signalleitungen angeordnet werden – einerseits um die Signalschleifenfläche zu verkleinern, andererseits um Übersprechen zwischen Signalleitungen zu vermeiden.

Bei Doppellagen-PCBs können ebenfalls Schutz-Erdungsleitungen gesetzt werden oder eine großflächige Erdung auf der Bildebene signifikanter Signale implementiert werden. Obwohl PCB-Fertigung und Bestückung/Debugging einfach und bequem sind, ist es nicht akzeptabel, komplexe PCBs wie Digital- oder Mixed-Signal-Schaltungen direkt zu simulieren, da die Strahlung ohne Referenzebene mit zunehmender Schleifenfläche zunimmt.

Mehrlagen-PCBs werden empfohlen, sofern das Budget es zulässt. Bei Mehrlagen-PCB-Design müssen drei Regeln beachtet werden:

1. Für signifikante Signalleitungen – wie Bus- oder Takleitungen mit starker Strahlung und hochempfindliche Leitungen – sollte das Routing zwischen zwei Erdungsebenen oder an der Signalebene, die eng an der Erdungsebene liegt, erfolgen. Dies verkleinert die Signalschleifenfläche, reduziert Strahlungsintensität und stärkt die Störfestigkeit.
2. Kantenstrahlung sollte wirksam kontrolliert werden. Im Vergleich zur benachbarten Erdungsebene sollte die Leistungsebene um 5 bis 20 H (H = Dielektrikum-Dicke) nach innen versetzt werden.
3. Falls Hochfrequenz-Signalleitungen zwischen unterster und oberster Lage existieren, sollten sie zwischen oberster Lage und Erdungsebene angeordnet werden, um Strahlung von Hochfrequenz-Signalleitungen in den Raum zu verhindern.

Unterdrückungsmaßnahmen für Routing-Störungen

Um Störungen zu vermeiden, müssen folgende Routing-Regeln beachtet werden:

1. Leitungen an Aus- und Eingängen sollten lange Parallelführung vermeiden. Parallel-Übersprechen kann durch Hinzufügen von Erdungsleitungen oder Vergrößerung des Leiterabstands verringert werden.
2. Leitungsbreite darf nicht plötzlich ändern. Ecken sollten abgerundet oder mit 135° Winkel ausgeführt sein.
3. Externe Strahlung des stromführenden Kreises nimmt mit Zunahme (Abnahme) von Schleifenfläche, Strom und Signalfrequenz zu (ab). Daher ist es notwendig, die Leiterschleifenfläche beim Stromfluss zu reduzieren.
4. Leitungslänge sollte verkürzt, Breite vergrößert werden, um Leitungsimpedanz zu verringern.
5. Zur Minimierung von Rauschenkopplung und Übersprechen zwischen benachbarten Leitungen sollte Isolationsverarbeitung zwischen den Leitungen durchgeführt werden, um Routing-Isolation zu gewährleisten.
6. Shunt-Isolierung für Schlüsselsignale festlegen; Schlüsselsignale durch Schutzschaltungen schützen.

Zudem sollten bei Routing von Signal-, Leistungs- und Erdungsleitungen folgende regeln entsprechend ihrer Charakteristiken und Funktionen befolgt werden:

• Gemeinsame Erdungsleitungen sollten am PCB-Rand in Maschen- oder Schleifenmuster angeordnet werden; Erdungsleitungen so dick wie möglich, mehr Kupferfolie für stärkere Abschirmung; analoge und digitale Erdung isolieren, im Niederfrequenzbereich Einpunkt-Parallelverbindung, im Hochfrequenzbereich Mehrpunkt-Reihenverbindung. In der Praxis kann Reihenschaltung mit Parallelschaltung kombiniert werden.
• Leistungsleitungen sollten so breit wie möglich, Schleifenwiderstand reduziert, um Synchronisation zwischen Richtung von Erdungs-/Leistungsleitungen und Datenübertragung zu gewährleisten. Bei Mehrlagen-PCBs Abstand zwischen Leistungsleitungen und Erdungs-/Leistungsebene reduzieren. Jede Funktionseinheit unabhängig mit Strom versorgen; Schaltungen mit gemeinsamer Stromversorgung sollten nah und kompatibel zueinander platziert werden.
• Signalleitungen so kurz wie möglich, um Kopplungspfad von Störsignalen zu reduzieren. Takt- und empfindliche Signalleitungen zuerst routen, dann High-Speed-Signale, zuletzt unwichtige Signale. Inkompatible Signalleitungen isolieren, um Kopplungsstörungen zu vermeiden. Kritisches Signal-Routing darf Trennungsbereich oder Referenzebenenraum durch Pad und Via nicht überschreiten – sonst vergrößert sich Signalschleifenfläche. Um Kantenstrahlung zu vermeiden, darf Abstand zwischen kritischen Signalleitungen und Referenzebene nicht kleiner als 3H sein (H = Höhe zwischen kritischer Signalleitung und Referenzebene).

Das Einzige, was wir fürchten müssen, ist die Furcht selbst. Für Elektronikingenieure mag Störung im PCB-Design-Prozess immer wieder enttäuschen. Doch solange wir wissen, woher Störung kommt, und wirksame Maßnahmen ergreifen, wird Störung definitiv reduziert und die PCB-Leistung voll ausgeschöpft.

Weiterführende Ressourcen

• Methoden zur Stärkung der Störfestigkeit im PCB-Design
• Analyse von Entstörungs- und Erdungsstrategien für PCBs
• Unverzichtbare PCB-Layout-Richtlinien für Ingenieure
• Full Feature PCB Manufacturing Service von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – Ab 1 Stück