Effektive PCB-Partitionierungsregeln für verbesserte EMV
EMV steht für elektromagnetische Verträglichkeit und bezeichnet einen Koexistenzzustand, in dem elektronische Geräte ihre Funktionen in derselben elektromagnetischen Umgebung ausführen können. Einfach ausgedrückt: EMV ermöglicht es elektronischen Geräten, unabhängig und störungsfrei nebeneinander zu arbeiten – sie sind im Gesamtsystem miteinander verträglich. Da EMV durch die Kontrolle von EMI (elektromagnetischen Störungen) erreicht wird, entwickelt sie sich parallel zu einer Reihe von EMI-Studien wie der Einführung von EMI, EMI-Forschung, EMI-Schutzlösungen und EMI-Management.
Grundprinzipien der EMV
Um Störungen zwischen digitalen und analogen Signalen zu reduzieren, müssen Sie zunächst zwei grundlegende EMV-Prinzipien kennen:
Prinzip 1: Die Schleifenfläche des Stromkreises sollte minimiert werden.
Prinzip 2: In einem System darf nur ein einziger Referenzleiter (Reference Plane) verwendet werden.
Wird Prinzip 1 verletzt und Signale müssen eine große Schleifenfläche durchlaufen, entsteht eine große Schleifenantenne. Wird Prinzip 2 verletzt und stehen zwei Referenzleiter zur Verfügung, bildet sich eine Dipolantenne. Beide Ergebnisse sind unerwünscht.
Partitionierungsregeln und Anwendungen für Mixed-Signal-PCBs
Es wird empfohlen, digitales und analoges Massepotenzial auf derselben Mixed-Signal-Platine zu trennen, um Isolation zu erreichen. Obwohl diese Lösung machbar ist, treten insbesondere in großen Systemen erhebliche Probleme auf. Das Hauptproblem: Leiterbahnen können nicht ohne Weiteres über die Trennlinie zwischen digitalem und analogem Ground geführt werden. Werden Signale dennoch über die Trennung geführt, steigen sowohl elektromagnetische Strahlung als auch Signalübersprechen drastisch an. Das häufigste Problem im PCB-Design ist EMI durch Signalführungen, die getrennte Ground- oder Power-Planes queren.
Abbildung 1 veranschaulicht die oben beschriebene Situation.
Bei dieser Trennmethode müssen Signalführungen die Spaltung zwischen digitalem und analogem Ground überqueren. Wie sieht der Rückstrompfad aus? Angenommen, die beiden getrennten Grounds sind an einem Punkt miteinander verbunden, entsteht ein großer Stromkreis durch den Ground-Pfad. Hochfrequente Ströme, die diese große Schleife durchfließen, erzeugen eine große Schleife mit hoher Ground-Kapazität und Strahlung. Fließt ein niedrigpegeliger analoger Strom durch diese große Schleife, wird er leicht von externen Signalen gestört. Der schlimmste Fall tritt ein, wenn der getrennte Ground mit der Versorgungsspannung verbunden wird – es bildet sich ein extrem großer Stromkreis. Zudem entsteht eine Dipolantenne, wenn analoger und digitaler Ground über einen langen Leiter verbunden sind. Daher müssen Ingenieure den Pfad und die Methode des Rückstromkreises im Mixed-Signal-PCB-Design kennen. Viele Ingenieure betrachten jedoch nur den Signalstrompfad, ohne den spezifischen Rückweg zu berücksichtigen. Wenn der Ground-Plane geteilt werden muss und Leiterbahnen die Trennung überqueren müssen, kann zunächst eine Einpunktverbindung zwischen den beiden getrennten Grounds mit einer Brücke realisiert werden, sodass unter jeder Signalleitung ein direkter Rückstrompfad mit kleiner Schleifenfläche entsteht – wie in Abbildung 2 dargestellt.
Auch der Einsatz von Optokopplern oder Übertragern ermöglicht das Überführen von Signalen über die Trennung. Bei Optokopplern sind es optische Signale, die die Spaltung überqueren; bei Übertragern das Magnetfeld. Eine weitere Methode ist die Verwendung differentieller Signale: Der Strom fließt in einer Leitung und kehrt über die andere zurück – Ground wird nicht als Rückweg benötigt.
Eine getrennte Partitionierung ist in folgenden drei Fällen anwendbar:
- Fall 1:
- Fall 2: Eingänge industrieller Prozesssteuerungsgeräte können mit elektromechanischen Geräten mit hohem Rauschen und hoher Leistung verbunden sein.
- Fall 3: Das PCB-Layout unterliegt bestimmten Einschränkungen.
Auf Mixed-Signal-PCBs sind in der Regel separate digitale und analoge Versorgungsspannungen vorhanden, und getrennte Power-Planes können und sollten verwendet werden. Signalleitungen in unmittelbarer Nähe zu Power-Planes dürfen jedoch nicht die Trennung zwischen den Versorgungen überqueren. Alle Signale, die diese Trennung kreuzen müssen, müssen an großflächige Leiterbahnen angrenzen. In manchen Fällen lassen sich Trennprobleme bei Power-Planes vermeiden, indem die analoge Versorgung als PCB-Verbindungsleiter statt als Plane ausgeführt wird.
Ground-Plane-Layout-Methoden und Anwendungen bei Mixed-Signal-PCBs
Um die von digitalen Signalen auf analogen Signalen verursachten Störungen zu diskutieren, müssen zunächst die Eigenschaften hochfrequenter Ströme verstanden werden. Hochfrequenzströme folgen immer dem Pfad mit minimaler Impedanz (niedrigster Induktivität) und fließen direkt unter den Signalleitern. Daher fließt der Rückstrompfad über die benachbarte Plane – egal ob Power- oder Ground-Plane. In der Praxis wird meist der Ground-Plane verwendet, wobei die Platine in analoge und digitale Bereiche partitioniert wird. Analoge Signale werden im analogen Bereich aller Planes verlegt, digitale Signale im digitalen Schaltungsbereich. In dieser Situation fließt der digitale Rückstrom nicht in den analogen Ground. Solange digitale Signale nicht über dem analogen Bereich und analoge Signale nicht über dem digitalen Bereich verlegt werden, entsteht keine Störung digitaler Signale auf analogen Signalen.
Solche Probleme entstehen nicht durch das Fehlen eines getrennten Grounds, sondern durch ungeeignetes Layout digitaler Signale. Beim PCB-Design helfen Ground-Plane-Nutzung, Partitionierung in digitale/analoge Bereiche und sinnvolle Signalverlegung, schwierige Layout- und Partitionierungsprobleme zu lösen. Zudem können potenzielle Probleme durch getrennten Ground vermieden werden. Damit werden Bauteilplatzierung und Partitionierung zu Schlüsselelementen für die PCB-Designqualität. Wenn Layout und Partitionierung geeignet sind, wird der Strom im digitalen Ground auf den digitalen Bereich begrenzt, und analoge Signale bleiben störungsfrei. Ein solches Layout muss sorgfältig geprüft werden, um die Einhaltung der Layout-Regeln sicherzustellen. Andernfalls kann schon eine ungeeignete Signalleitung das gesamte Board funktionsunfähig machen.
Wenn die analogen und digitalen Ground-Pins eines A/D-Wandlers miteinander verbunden sind, empfehlen die meisten Hersteller, AGND- und DGND-Pins über kürzeste Leitungen mit demselben Low-Impedance-Ground zu verbinden. Das liegt daran, dass diese Pins in den meisten A/D-Wandler-ICs intern nicht verbunden sind und jede externe Impedanz am DGND digitales Rauschen über parasitäre Kapazitäten in den analogen Schaltungsteil einkoppelt. Daher sollten sowohl AGND- als auch DGND-Pins mit dem analogen Ground verbunden werden. Dabei stellt sich die Frage, ob der analoge oder digitale Ground mit dem Erdungsterminal des Entkopplungskondensators der digitalen Signale verbunden werden soll.
Bei einem System mit einem einzelnen A/D-Wandler lässt sich dieses Problem leicht lösen: Bei getrennten Grounds werden analoger und digitaler Ground-Bereich unter dem A/D-Wandler verbunden. Dabei sollte die Brücke zwischen den beiden Grounds so breit wie der IC sein, und keine Signalleitung darf die Trennung überqueren.
Bei einem System mit mehreren A/D-Wandlern (z. B. 10) wie soll man vorgehen? Wendet man die oben genannte Lösung an – also Verbindung von analogem und digitalem Ground unter jedem A/D-Wandler –, entsteht eine Mehrpunktverbindung, wodurch die Isolation zwischen analogem und digitalem Ground bedeutungslos wird. Verbindet man sie nicht so, wird die Herstelleranforderung nicht erfüllt. Die optimale Lösung ist ein einheitlicher Ground, der in analogen und digitalen Bereich unterteilt ist. Dieses Layout erfüllt nicht nur die Forderung der IC-Hersteller nach niedriger Impedanz zwischen AGND und DGND, sondern vermeidet auch EMV-Probleme wie Schleifen- oder Dipolantennen.
Wenn Ingenieure Zweifel an der einheitlichen Ground-Lösung haben, kann das Layout zunächst auf Basis der Ground-Plane-Trennungsmethode erstellt werden. Während des Designs sollte das Board für Jumper-Drähte oder 0-Ohm-Widerstände zugänglich sein, um die getrennten Grounds zu verbinden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Partitionierung und dem Layout, um sicherzustellen, dass keine digitalen Signalleitungen über dem analogen Bereich und vice versa verlaufen. Zudem darf keine Signalleitung die Ground-Trennung oder die Versorgungstrennung überqueren. Zum Testen der PCB-Funktionalität und EMV sollten die beiden Grounds über einen 0-Ohm-Widerstand oder Jumper-Draht verbunden und dann erneut getestet werden. Der Vergleich zeigt in allen Fällen: Die einheitliche Ground-Lösung ist der getrennten Ground-Lösung sowohl funktional als auch hinsichtlich EMV überlegen.
Mixed-Signal-PCB-Design ist ein komplexer Prozess. Eine PCB sollte in unabhängige analoge und digitale Bereiche partitioniert werden, wobei der A/D-Wandler die Bereiche überspannt. Zur Trennung analoger und digitaler Versorgungsspannungen darf die Trennung zwischen isolierten Power-Planes nicht überquert werden; Signalleitungen, die dies müssen, sollten auf der Schicht verlegt werden, die an großflächige Leiterbahnen angrenzt. Es muss analysiert werden, wo und wie der Rückstrom fließt, damit geeignete Bauteilplatzierung und korrekte Layout-Regeln eingehalten werden. In allen Lagen einer Leiterplatte dürfen digitale Signale nur in digitalen Bereichen, analoge Signale nur in analogen Bereichen verlegt werden.
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