EMV-Auswirkungen auf und von Leiterplatten

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1 EMV-Auswrkungen auf und von Leterplatten 10. März 2009 André Trabold Tel Rossens 1 Programm Enletung Immuntät: Störsgnale und Flter Emsson: Störsgnale und Flter Versuchsaufbau: Antennenwrkung enes Leters Zonenkonzept ener Leterplatte Versuchsaufbau: Aufgetrennte Massefläche Entkopplung von Sgnalen und IC s Schaltregler Zusammenfassung 2

2 Enletung: EMV-Problematk Immuntät: Störströme, -spannungen und -felder von aussen beenflussen de Elektronk. Emsson: De Elektronk st Quelle von Störströmen, -spannungen und -feldern welche de Umgebung beenflussen. Selbststörung des Systems: z.b. durch Spannungsabfälle bem Schalten der logschen Schaltkrese, Übersprechen, Reflexonen, usw. 3 Immuntät: Störungen auf Leterplatten Glechtakt-Störungen Gegentakt-Störungen Kabel E, H E, H Sgnal Masse U GND U GND 4

3 Immuntät: Idee der Flter und deren Platzerung COMMOM-MODE COMMOM-MODE Ohne Flter: Mt Flter: Prnzp 1: Prnzp 2: Nedermpedante Alternatve anbeten Hohe Impedanz 5 Emsson: Störquellen auf Leterplatten Glechtakt-Störquellen Kabel E, H Gegentakt-Störquellen E, H Sgnal Masse U GND U GND 6

4 Emsson: Idee der Flter und deren Platzerung Ohne Flter: Mt Flter: ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Prnzp 1: Prnzp 2: Nedermpedante Alternatve anbeten Hohe Impedanz 7 Versuchsaufbau: Antennenwrkung enes Leters Draht senkrecht zur Massefläche Draht auf Massefläche Massefläche Spektrumanalyzer 2) 1) 1) und 2): 10nF SMD-Kondensator Draht über Massefläche herausragend 8

5 Versuchsaufbau: Antennenwrkung enes Leters 1) Draht über Massefläche herausragend: Peak be... MHz:... dbµv 2) Draht senkrecht zur Massefläche: Peak be... MHz:. dbµv 3) Draht auf Massefläche: Peak be... MHz:... dbµv Massefläche 4) Draht mt 10nF (1), jede Ausrchtung: Peak be... MHz:... dbµv 5) Draht mt 10nF (2) nahe am Stecker, jede Ausrchtung: Peak be... MHz:... dbµv Entkopplung 9 Bespele von Zonen auf der gedruckten Schaltung Stecker Flterung der Schnttstellen analog Schnttstellen Schaltung getaktete Versorgung numersch numersch schnell 10

6 Stecker. Stecker. Stecker. Stecker. Stecker. Stecker. Stecker. Leterplatten mt Steckeranschlüssen auf nur ener Sete En-/Ausgangs-Zone Flterungskondensator Zone «analog» Geschrmtes Kabel Zone «dgtal» Kontakterungsfläche für de Massung auf de Trägerplatte oder das Gehäuse Befestgungsloch mt Ausschntt n der Massefläche Massefläche ohne Unterbruch 11 Leterplatten mt Steckeranschlüssen auf zwe Seten Zone «analog» Flterungskondensator Zone «dgtal» Kontakterungsfläche für de Massung auf de Trägerplatte oder das Gehäuse En-/Ausgangs-Zone Massefläche ohne Unterbruch 12

7 Problematk von Bus-Systemen mt Klemmenanschlüssen vorne. Grundüberlegung: Verrngerung von STÖR durch Serempedanz. Nedermpedanter Pfad zur Umletung von STÖR. stör stör st ör stör E, H st ör 13 Möglche Konstrukton be Enschubplatnen Frontplatte Leterplatte I/O-Zone Stecker Stecker Bus-Stecker Zone «dgtal» und/oder Zone «analog». Massefläche Befestgungslöcher mt Kontakterung Schraube Entkoppelkondensator 1-10nF Rack Nedermpedante Verbndungen (kene Oxydschcht, Eloxerung, Farbe etc.!) 14

8 Stecker Stecker Anbndung der Entkopplungskondensatoren I/O Zone I/O Zone rchtg falsch Entkopplungskondensator Entkopplungskondensator 15 Desgn des Flterungsberechs Zur Schaltung Zur Schaltung Stecker Masse Falsch Flterungskondensatoren Masse Rchtg 16

9 0,47 µf Flterungsberech der Spesung Zone «dgtal» Zone I/O De Rehenfolge der Elemente auf dem Layout entsprcht derjengen m Schema! 2 x 40 uh Self 2 x 82 mh 2 x 2,2 nf Kontakterungsfläche und Verschraubung mt dem Gehäuse Stecker Stecker I/O Optokoppler 10 nf-entkopplungskondensatoren auf allen Letungen 0,1 uf 2 x 82 mh 0,47 uf Netz 2 A / 40 uh 2 x 2,2 nf 17 Massekonzept für Multlayer Kontakterungs- Fläche für de Massung Flterungskondensatoren I/O Zone Stecker Stecker I/O- Zone Zone «analog» Zone «dgtal» Sgnalletungen Sgnalletungen Versorgungsspannung(en) flächg Befestgungsloch mt Aussparung Massefläche 18

10 Versuch Aufgetrennte Massefläche - Aufbau Rechteck 1MHz f-generator Enschntt n der Massefläche: Montageöffung oder Leterbahn auf Massefläche Leterbahn über der Massefläche oder über dem Enschntt. Massefläche Messsonde unter der Massefläche 10kOhm // 100pF Spektrumanalyzer 19 Versuch Aufgetrennte Massefläche - Resultate 1) Leterbahn über Massefläche : Peak be... MHz:... dbµv Strompfad: Hnweg = Rückweg 2) Leterbahn über Enschntt: Peak be... MHz:. dbµv Strompfad: Hnweg Rückweg Layout so anordnen, damt Hnweg und Rückweg des Stromes möglchst deckungsglech snd. Enschntte n der Massefläche vermeden. 20

11 Versuch Aufgetrennte Massefläche - Nahfeldmessung Störfeldmessung mt der Nahfeldsonde drekt unter der Leterplatte Ampltude [dbuv/m] Frequenz [MHz] Leterbahn über Enschntt Leterbahn über Fläche 21 Versuch Aufgetrennte Massefläche - Fernfeldmessung Störfeldmessung n 10m Dstanz dbuv/m Leterbahn über Enschntt Lmte Kl.A Lmte Kl.B Leterbahn über Fläche Frequenz Frequenz [MHz] 22

12 Auslegung der Schaltungsmasse Dgtaltechnk: flächenartg und vermascht NF-Analogtechnk mt klenen Strömen: glech we Dgtaltechnk NF-Analogtechnk mt hohen Strömen: Verbndungen mt hohen Strömen sternförmg Rest glech we Dgtaltechnk HF-Analogtechnk: Strplne - oder Mcrostrp -Technk D.DIG Zusammenhang zwschen Sgnal und Frequenzspektrum Sgnal t r T D u, 20 db/dekade 40 db/dekade 1/πD 1/πt r Log (f) Frequenz und Flankenstelhet der Sgnale so langsam we de Anwendung es zulässt. 24

13 Tefpass-Flterung Stele Flanken lassen sch durch Tefpaß-Flterung abrunden. Dadurch werden de Oberwellen gedämpft und de Emsson verrngert. Es st darauf zu achten, daß m weteren Letungszug ken schnelleres Gatter legen darf. Deses würde das ursprünglche Sgnal rekonstrueren und de Flterwrkung aufheben. Belebge Elektronk 20 MHz 56 Ohm Belebge Elektronk Takt / Sgnal Input 47 pf 25 Zusammensetzung der IC Schaltströme L Zuletung schalt IC Last-IC Stützkond. Quer Last C Last L Zuletung C Streu schalt schalt = quer + Last 26

14 Schaltströme IC 74AC00 (Quad 2-Input NAND) [ma] U ausgang 5V/DIV. UAusg schalt ohne Stützkond. 40mA/DIV. 74AC [ma] f [MHz] 100 schalt mt Stützkond. 10nF 40mA/DIV. 74AC ns/DIV f [MHz] Messung: montena 27 Spannungsversorgung: Stützkondensatoren mt verschedenen Werten

15 Impedanz der Spannungsversorgung Massenfläche und Vcc Fläche C1: 1 mf C3: 100 nf C2: 4.7 uf C4: 10 nf Entkopplung der Spesungen falsch 10nF Vcc up Vcc 10nF falsch Sgnal 2 Vcc GND Vcc Vcc Sgnal 1 10nF rchtg 30

16 Standard Schaltreglerlayout Schlefenfläche D.SNET DC/DC Schlefenströme (t) t erzeugen Felder. 32

17 DC/DC Layout: Mnmerung der Schlefen 33 Good swtchng power supply layout (the bottom layer s a full ground plane) source: 34

18 EMV-Auswrkungen auf und von Leterplatten Zusammenfassung: - Erkennen der Pfade von möglchen externen Störströmen. - Entelung der Leterplatte n Zonen. - Flter und Entkopplungen auswählen und gut platzeren. - Erkennen der nternen Störquellen (Schalter und IC s). - Ideale Anordnung der nternen Störquellen nnerhalb der Zone. - Flter und Entkopplungen auswählen und gut platzeren 35 EMV-Auswrkungen auf und von Leterplatten Danke für Ihre Aufmerksamket. 36