Entwurfsrichtlinien für elektronische Baugruppen unter EMV - Aspekten. Schaltungsdesign Prof. Redlich

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1 Entwurfsrichtlinien für elektronische Baugruppen unter EMV - Aspekten Schaltungsdesign Prof. Redlich

2 EMV in Verdrahtung und Layout Ziel: ist der Entwurf elektronischer Baugruppen, die sich durch Funktionssicherheit bei Vorhandensein elektromagnetischer Störquellen auszeichnen und selbst geringe Eigenstörungen hervorrufen. Die Baugruppen müssen entsprechend der funktionellen Notwendigkeiten und der gesetzlichen Vorschriften entwickelt werden. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 2

3 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung Alle Komponenten eines Gerätes oder einer Anlage müssen sowohl für NF als auch für HF-Signale das gleiche Erdungspotential aufweisen. Forderung : Niederohmige Verbindung für HF und NF - Signale Der Schutzleiter eines Systems hat hohe HF Impedanz. Problem: Schutzleiter meist nicht zur EMV gerechten Erdung geeignet Erdleitungssysteme müssen vermascht sein. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 3

4 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung vermaschte Erdung in einer elektronischen Anlage Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 4

5 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung Maßnahmen zur Herstellung eines niederohmigen HF-Massebezugs: breitflächige Verbindung (Längen /Breitenverhältnis < 1 : 3 ) einzelne, voneinander isolierte Einzeldrähte ( Erdungslitze) geschirmte Leitung Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 5

6 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung Metallplattentechnik zur niederohmigen Erdung der Rückverdrahtung Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 6

7 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung Die Störbeeinflussung von Leitungen kann durch eine geeignete Leitungsverlegung und eine durchgängige Erdung entscheidend vermindert werden. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 7

8 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung - Kontaktierung von Erdleitern Der Erdleiter kann durch unsachgemäße Kontaktierung unwirksam sein. Maßnahmen: Kontaktstellen nicht ölen Kontaktstellen nicht mit Farbe behandeln Oxidschicht der Oberfläche entfernen Leitkleben nur bei sehr großen Kontaktflächen verwenden Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 8

9 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 9

10 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdung von Kabeldurchführungen Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 10

11 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Leitungsauswahl Leitungstyp Anwendung Einzelader < 60 Hz Adernpaar, parallel Adernpaar, verdrillt Folienschirm Schirmgeflecht Schirmgeflecht + Folie < 60 Hz wenig gestörte Industrieumgebung, keine Analogbaugruppen wenig gestörte Industrieumgebung, < 10MHz Industrieumgebung der Automatisierungsbranche (Messen Steuern Regeln) sensible Leitungen (Meßleitungen) in stark gestörter Umgebung Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 11

12 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Filtereinsatz Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 12

13 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Erdungsanpassung des Netzfilters Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 13

14 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Leitungsverlegung Auf Leiterplatten treten die gleichen Störgrößen und Koppelmechanismen auf, wie bei der Verdrahtung elektronischer Baugruppen. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 14

15 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Leiterplattenart Insbesondere bei Verwendung einer Multilayer-Leiterplatte besteht die Möglichkeit, eine großflächige Bezugspotentialfläche (gnd) zu schaffen. Die Leiterzüge auf der Signalebene bilden dann s.g. Mikrostreifenleitungen mit einem definierten Wellenwiderstand. Leiterzüge GND Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 15

16 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Auf Leiterplatten bildet insbesondere die Spannungsversorgung (VCC) und das Bezugspotential (GND) Koppelimpedanzen an denen Störspannungen entstehen können. Die Änderung der Versorgungsspannung und des Bezugspotentials führt zu ungewollten Signaländerungen. Konstruktive Gegenmaßnahmen sollen im folgenden diskutiert werden. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 16

17 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Spannungszuführung Beim Schaltvorgang eines Gatters sind kurzzeitig beide Endstufentransistoren leitend. Dadurch fließt ein Kurzschlussstrom I K, der der beispielsweise bei TTL auf mA begrenzt ist. Bei Wechsel von L auf H addiert sich dazu der Ladestrom I L der angeschlossenen Lastkapazitäten wodurch insbesondere VCC belastet wird. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 17

18 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Spannungszuführung Bei Wechsel von H auf L werden die Leitungs -und Eingangskapazitäten der angeschlossenen Schaltkreise entladen. Zwar wird VCC weniger belastet, GND dafür jedoch deutlich mehr. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 18

19 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Spannungszuführung Die mit den Schaltvorgängen verbundenen Stromimpulse bewirken im wesentlichen an den Induktivitäten eine Störspannung entsprechend : u Stör = -L di / dt Diese Störspannung führt zum Zusammenbruch der Spannungsversorgung oder zum Anheben des Bezugspotentials H-Pegel bricht zusammen L-Pegel wird angehoben Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 19

20 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Spannungszuführung Ein üblicher Leiterzug mit einer Länge von 50mm hat einen Induktivitätsbelag von 10 nh/cm. Bei einer Stromsteilheit von 10mA/ns fällt bereits eine Spannung von 0,5 V ab. Während Digitalschaltkreise Versorgungsspannungsschwankungen von 3% tolerieren, reagieren analoge IC s wesentlich empfindlicher. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 20

21 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Einsatz von Stützkondensatoren ungünstige Gestaltung Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 21

22 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Stützung der Spannungszuführung Trotz niederohmiger Auslegung der Stromversorgungsleitungen kann es erforderlich sein, den während der Schaltvorgänge notwendigen Strom über Stützkondensatoren bereitzustellen. Damit die Ladung auch schnell zur Verfügung steht, muss die Zuleitung möglichst niederinduktiv sein. SMD -Stützkondensator VCC GND Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 22

23 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Bezugspotentialfläche Nicht an das Bezugspotential angeschlossene Cu- Flächen wurden entfernt. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 23

24 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Bezugspotentialfläche Die Ausführung des Bezugspotentials als Gitterfläche besitzt auch eine hinreichend kleine Impedanz Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 24

25 EMV - gerechter Leiterplattenentwurf Gestaltung der Bezugspotentialfläche Nicht miteinander verbundene GND- Flächen können durch eine aufgelötete Metallfläche zusammengefasst werden. Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 25

26 EMV - Maßnahmen in der Verdrahtung Schirmung von Leiterplatten Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 26

27 EMV - gerechter Baugruppenentwurf Elektrostatische Aufladung Problem: berührt die aufgeladene Person einen geerdeten Gegenstand führt der schnelle Entladeimpuls (ESD = eletrostatic discharge) zu Störfeldern. - Teppich bei ungünstigen Materialkombinationen und hoher Luftfeuchte bis 30 kv U Isolationswiderstand Fußboden Auswirkungen im HF-Bereich Energiegehalt gering Lösung: leitende Bodenbelege spezielle Schuhe Erdungsbänder Abschirmung des Gerätes, b.z.w. der gefährdeten Baugruppen Schaltungsdesign - EMV Entwurf 1 Prof. Redlich 27

Tabelle 1.1 Entwicklung der Bauelementeabmessungen bis 2020 [1] Jahr 2000 2002 2003 2004 2007 2009 2012 2015 2020 25 2 1,5 1 0,5 0,25 0,125 0,08 0,04

Tabelle 1.1 Entwicklung der Bauelementeabmessungen bis 2020 [1] Jahr 2000 2002 2003 2004 2007 2009 2012 2015 2020 25 2 1,5 1 0,5 0,25 0,125 0,08 0,04 1 Einleitung Elektronische Bauelemente und Baugruppen sind sehr empfindlich gegenüber elektrostatischen Auf- und Entladevorgänge. Dabei gilt dies für alle aktiven elektronischen Bauelemente und Baugruppen

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