White Paper – Wie vermeiden Sie Strahlungsprobleme auf der Leiterplatte ?

So vermeiden Sie Strahlungsprobleme auf der Leiterplatte

Veröffentlicht im Auftrag von CNRood, aktiv in BeNeLux & Schweden

Für viele ist das Ergebnis eines EMV-Tests eine unangenehme Überraschung. Große Mengen an Geld und Zeit werden durch entsprechende Layoutanpassungen in Produkte investiert, die mitunter zu großen Verzögerungen führen. Die Hauptursache für diese zusätzlichen Kosten und Verzögerungen kann mit den Möglichkeiten des Entwicklers, dessen Wissen und dessen Wunsch verbunden sein, einen EMV-Test auf dem Produkt so früh wie möglich durchzuführen. In diesem Artikel wird der Autor einige einfache Ratschläge und Beispiele für Testmethoden geben, die zur Vermeidung unerwünschter Emissionen nützlich sind.
Der endgültige Test wird natürlich im gesamten System oder bei dem jeweiligen Produkt durchgeführt, aber das EMV-Denken, muss schon zu Beginn der Konzeptphase angewendet werden!

Einfache Regeln, um unangenehme EMV-Überraschungen zu vermeiden. Diese Regeln sollten beachtet werden:

1.Beginnen Sie so früh wie möglich mit Messungen im Designprozess.
2.Finden Sie die Ursache des Problems.
3.Korrigieren Sie das Problem auf der Komponentenebene.
4.Führen Sie regelmäßig während des Designprozesses Tests durch.
5.Führen Sie Tests nach bestehenden EMV-Richtlinien durch.
6.Führen Sie Qualitätsprüfungen während der Fertigung durch

Jan Eriksson ist der Author von diesem White Paper

Managing Director

Detectus AB, Schweden.

Tel: +46-280-41122

Fax: +46-280-41169

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Emissionsvorprüfung

Bisher haben Entwickler nur Spektrumanalysatoren und Nahfeldsonden bei der Suche nach Emissionsquellen auf der Leiterplatte verwendet. Diese Messmethode war zeitaufwändig und nicht reproduzierbar. Folglich gab es große Unsicherheiten, wo sich die Quelle des Problems befindet und wie sich unterschiedliche Layoutanpassungen auf die Gesamtemission auswirken.
Durch den Anschluss des Spektrumanalysators (Tektronix RSA306A Serie Echtzeit-Spektrumanalysatoren) und eine Nahfeldsonde an einen EMV-Scanner kann der Entwickler heute ein ideales Messgerät für die Emissionsvorprüfung an Leiterplatten aufbauen.
Diese Messmethode macht die Vorversuche einfacher und günstiger, da der Entwickler selbst die Messungen durchführen und die Ergebnisse auswerten kann. Die Emissionsquellen lassen sich leicht grafisch untersuchen und die Ergebnisse unterschiedlicher Konstruktionsänderungen können verglichen werden.

Designregeln

Das Leiterplatten-Design hat eine fundamentale Bedeutung um dem System oder Produkt gute EMV-Eigenschaften zu verleihen. Der Designer sollte diese Regeln beachten:
     
  • Verwenden Sie keine höheren Spannungen oder Ströme, als notwendig.
  • Verwenden Sie keine schnelleren Schaltungskomponenten als notwendig.
  • Verwenden Sie kurze Verbindungen auf allen Ebenen.
  • Verwenden Sie eine ordnungsgemäße Erdung, Abschirmung und Filterung
Vermeiden Sie große HF-Stromschleifen indem Sie Entkopplungskondensatoren, mehrere Spannungsebenen, eine ordnungsgemäß ausgelegte Nullpotentialebene sowie verdrillte Paare (Twisted-Pairs) verwenden, um die Signal- und Rücklaufleitungen nahe beieinander zu halten.

Leiterplatten-Layout

Für ein passendes Layout, benötigt man minimierte Stromschleifen, damit die Induktivität für die Signale aller verwendeten Teile, mit schnellen Auf- und Abfallzeiten, minimiert wird.

Um ein Crosstalk (Übersprechen) zu vermeiden, müssen empfindliche Signalleiter getrennt gehalten werden. Die Stromversorgungsverteilung muss eine geringe Induktion aufweisen (Multilayer).

Logische Schaltungen

Bei der Auswahl von Schaltungen, beachten Sie bitte folgende Regeln:
  • Verwenden Sie keine schnellere Frequenz als notwendig. Vermeiden Sie schnelle Auf- und Abfallzeiten.
  • Möglichst nicht genutzte Ein- und Ausgänge auf ein vorgegebenes Potential legen.
  • Legen Sie Signal und die Rücklaufleitungen so nah wie möglich zusammen.

Entkopplunskondensatoren

Beispiel für die Emission auf einer Leiterplatte mit unterschiedlichen Entkopplungskondensatoren.
Der Entkopplungskondensator wurde nahe an den Mikroprozessor gelegt und die gemessene Frequenz betrug 480 MHz. Untere linke Ecke keine Entkopplung, untere rechte Ecke 100 nF.
Der Entkopplungskondensator soll den Stromkreis vor Spannungsspitzen schützen. Das soll erreicht werden durch:
  • Den Kondensator so nah wie möglich an die Versorgungsleitung platzieren (Minimierung der Stromschleife).
  • Kondensator so klein wie möglich wählen.

Filter

Verwenden Sie Filter, um Störungen bei Ein- und Ausgängen zu minimieren. Diese Filter werden als “Barriere” zwischen den Bereichen arbeiten.

Abschirmung

Eine Abschirmung soll die Emission von einer Quelle isolieren z.B. durch Anwendung von Abschirmkästen und Abschirmmaterialien. Diese Methode ist oft teuer und wird daher nur dann verwendet, wenn keine andere Lösung funktioniert. Allerdings sollte beachtet werden, dass die Abschirmung Probleme mit der Temperatur oder eine Oxidation verursachen kann, die eventuell den abschirmenden Effekt, verschlechtern können.

EMV-Richtlinie

Das Produkt muss selbstverständlich auf die Einhaltung der bestehenden EMV-Richtlinie geprüft werden. Was jedoch, oft nach einer CE-Zulassung vergessen wird, was geschieht mit dem Produkt, wenn es einige Zeit produziert wurde. Oft werden Teile des Produktes geändert (neue Bauteile oder Bauteillieferanten). Dies könnte dazu führen, dass sich die EMV-Eigenschaften geändert haben. In diesem Fall kann der EMV-Scanner auch bei der Durchführung von Emissionsüberprüfungen helfen, um herauszufinden, ob Änderungen der EMV-Merkmale aufgetreten sind.

Zusammenfassung

Um ein Produkt so preiswert und gut wie möglich zu machen, sollten Sie die EMC-Belange von Anfang an berücksichtigen. Vorversuche sollten so früh wie möglich durchgeführt werden. Die Probleme sollten durch Bauteil- und Layoutoptimierung korrigiert werden.

Führen Sie den EMV-Test gemäß den bestehenden Richtlinien durch.

Führen Sie Tests während der Fertigung durch, um sicherzustellen, dass die EMV-Eigenschaften des Produkts nach einiger Zeit nicht verschlechtert werden

“See it before you CE it”

* All measurements and pictures made by EMC-system RSE642, Detectus AB.