Bei Leiterplatten können viele Dinge EMI verursachen. Zum Beispiel: Radiofrequenz Ströme, Gleichtaktspannungen, Masseschleifen, Impedanzfehlanpassung und magnetischer Fluss. Um EMI zu kontrollieren, müssen wir diese Ursachen Schritt für Schritt kennen lernen und sehen, wie sie sich auf die Leiterplatte auswirken. Wir können die mathematischen Grundlagen der elektromagnetischen Theorie studieren. Aber dieser Weg ist lang und mühsam. Für die meisten Ingenieure sind klare und einfache Worte nützlicher. In diesem Artikel geht es um die “Quellen elektrischer Felder” auf einer Leiterplatte, die Anwendung der Maxwellschen Gleichungen und die Idee der Minimierung des magnetischen Flusses.
1. Quellen des elektrischen Feldes
1.1 Elektrisches Dipolmodell (zeitabhängig)
Die Quelle elektrischer Felder wird häufig als zeitlich veränderlicher elektrischer Dipol modelliert. Dies ist das Gegenteil einer magnetischen Quelle. Ein elektrischer Dipol besteht aus zwei nahe beieinander liegenden, entgegengesetzten Punktladungen, die sich mit der Zeit verändern. Die beiden Enden des Dipols weisen eine Ladungsveränderung auf. Dies geschieht, weil Strom über die gesamte Länge des Dipols fließt. Du kannst eine elektrische Quelle modellieren, indem du eine nicht terminierte Antenne mit einem Oszillatorsignal ansteuerst. Diese Schaltung zeigt, wie eine Stromquelle funktioniert. Aber man kann sie nicht nur mit niederfrequenten Schaltungen erklären.
Vergessen Sie nicht, dass die Signalausbreitungsgeschwindigkeit nicht unendlich ist. Die Geschwindigkeit hängt von der Dielektrizitätskonstante der nichtmagnetischen Materialien ab. Da die Geschwindigkeit endlich ist, wird im Stromkreis ein HF-Strom auftreten. Manchmal wird davon ausgegangen, dass der Draht an jedem Punkt die gleiche Spannung hat und dass der Stromkreis zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht ist. Das ist bei RF nicht der Fall.
1.2 Schlüsselfaktoren, die elektromagnetische Felder beeinflussen
Das elektromagnetische Feld eines elektrischen Dipols hängt von vier Faktoren ab:
- Stromamplitude in der Schleife: Das Feld ist proportional zu dem Strom, der im Dipol fließt.
- Polarität des Dipols und der Messantenne: Die Polarität des Dipols muss mit der Antennenpolarität des Messgeräts übereinstimmen. Dies ist wie eine magnetische Quelle.
- Dipolgröße: Das Feld ist proportional zur Länge des Stromelements. Die Leitungslänge darf aber nur einen Teil einer Wellenlänge betragen. Je größer der Dipol ist, desto niedriger ist die an der Antenne gemessene Frequenz. Bei einer bestimmten Größe wird die Antenne bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz treten.
- Entfernung: Elektrische und magnetische Felder sind miteinander verbunden. Ihre Stärke hängt von der Entfernung ab. Im Fernfeld verhält sich das Feld wie eine (magnetische) Schleifenquelle und man sieht eine elektromagnetische ebene Welle. In der Nähe der Punktquelle ist die Abhängigkeit des Feldes von der Entfernung stärker.
1.3 Beziehungen zwischen Nahfeld und Fernfeld
Nahfeld und Fernfeld enthalten sowohl magnetische als auch elektrische Anteile. Alle Wellen kombinieren elektrische und magnetische Anteile. Diese Mischung ist der Poynting-Vektor. In der Tat gibt es keine reine “elektrische Welle” oder “magnetische Welle” allein. Wir können eine ebene Welle messen, weil die Wellenfront für eine kleine Antenne, die einige Wellenlängen entfernt ist, wie eine Ebene aussieht.
Eine kleine Zeichnung kann helfen. Sie würde den Wellenwiderstand und die Entfernung zeigen. Die Beschriftung würde lauten: Wellenwiderstand; Bereich des elektrischen Feldes mit E = 1/r und H = 1/r²; ebene Welle mit Z = 377 Ω; Asymptotenlinie; reale Form; Bereich des magnetischen Feldes; Übergangsbereich; Nahfeld H = 1/r³, E = 1/r²; Fernfeld; horizontale Achse 0,1, 0,5, 1,0, 5,0.
Diese Ansicht ist das physische “Profil”, das die Antenne sieht. Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Stein in einen Fluss und sehen die Wellen. Das Feld strahlt von einer Punktquelle mit Lichtgeschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit hängt von der Dielektrizitätskonstante ab. Die Einheit für das elektrische Feld ist V/m. Die Einheit für das magnetische Feld ist A/m. Das Verhältnis E zu H ist die Freiraumimpedanz. Für eine ebene Welle im freien Raum ist die Wellenimpedanz Z₀ konstant. Er hängt weder von der Entfernung noch von der Punktquelle ab. Eine ebene Welle im freien Raum überträgt Energie in Watt pro Quadratmeter.
1.4 Geräuschkopplung und pauschale Komponentenmodelle
Bei den meisten Anwendungen der Maxwellschen Gleichungen modellieren wir die Rauschkopplung mit äquivalenten, pauschalen Komponenten. Zum Beispiel: Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld zwischen zwei Leitern ist wie ein Kondensator. Ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld zwischen denselben zwei Leitern ist wie eine gegenseitige Induktivität. Eine Abbildung kann diese beiden Rauschkopplungspfade zeigen.
Damit solche Rauschmodelle korrekt sind, muss der Schaltkreis im Vergleich zur Wellenlänge des Signals klein sein. Wenn das nicht der Fall ist, können wir immer noch Modelle mit pauschalen Komponenten verwenden, um die EMV zu beschreiben. Und warum? Weil die Maxwellschen Gleichungen in vielen realen Fällen aufgrund komplexer Grenzen schwer anzuwenden sind. Wenn das pauschale Modell grob korrekt erscheint, ist es nützlich. Die meisten diskreten Komponenten verhalten sich in der Regel zuverlässig.
Ein numerisches Modell zeigt nicht immer, wie das Rauschen von den Systemparametern herrührt. Ein Modell kann eine Antwort sein, aber die Systemparameter sind möglicherweise nicht bekannt, gefunden oder sichtbar. Unter den verfügbaren Modellen sind Modelle mit pauschalen Bestandteilen oft die beste praktische Wahl.
1.5 Bedeutung für das PCB-Layout
Warum studieren wir diese Theorie für PCB-Layout? Die einfache Antwort: Wir müssen wissen, wie elektromagnetische Felder entstehen. Dann können wir die HF-Felder auf der Leiterplatte reduzieren. Das bedeutet, dass wir die HF-Ströme in der Schaltung reduzieren müssen. Der HF-Strom verbindet sich mit dem Signalverteilungsnetz, umgeht es und koppelt. Der HF-Strom bildet schließlich Oberschwingungen und andere digitale Signalinhalte. Signalverteilungsnetze müssen so klein wie möglich sein. Das reduziert die Fläche der HF-Rückstromschleifen. Bypass und Kopplung beziehen sich auf große Ströme und müssen über das Stromverteilungsnetz erfolgen. Definitionsgemäß hat das Stromverteilungsnetz große HF-Rückstromschleifenflächen.
2. Anwendung der Maxwellschen Gleichungen
2.1 Verknüpfung der Maxwellschen Gleichungen mit dem Ohmschen Gesetz
Wir haben oben die Grundideen von Maxwell vorgestellt. Aber wie wenden wir dieses physikalische und kalkulatorische Wissen auf die EMV auf einer Leiterplatte an? Wir müssen die Maxwell-Gleichungen vereinfachen, um sie für Leiterbahnen auf Leiterplatten zu verwenden. Wir können die Maxwell'schen Gleichungen mit dem Ohm'schen Gesetz verknüpfen.
Ohmsches Gesetz im Zeitbereich:
V = I × R.
Ohmsches Gesetz im Frequenzbereich:
V_rf = I_rf × Z.
Dabei ist V die Spannung, I der Strom, R der Widerstand und Z die Impedanz (Z = R + jX). rf bedeutet Hochfrequenzenergie. Wenn ein HF-Strom in einer Leiterbahn mit fester Impedanz fließt, wird eine HF-Spannung erzeugt. Die HF-Spannung ist proportional zum HF-Strom. Hinweis: Im Wellenmodell wird R durch Z ersetzt. Z ist komplex. Es hat einen Widerstand (real) und einen Blindwiderstand (imaginär).
2.2 Impedanzformeln für Drähte/PCB-Leiterbahnen
Es gibt viele Möglichkeiten, die Impedanz zu schreiben, je nachdem, ob es sich um eine ebene Wellenimpedanz oder eine Schaltungsimpedanz handelt. Für Drähte oder Leiterbahnen verwenden wir:
Winkelfrequenz:
ω = 2πf.
Induktiver Blindwiderstand:
X_L = 2πfL.
Kapazitiver Blindwiderstand:
X_C = 1 / (2πfC).
Impedanz:
Z = R + jX_L + 1/(jX_C) = R + jωL + 1/(jωC).
Wenn ein Bauteil einen bekannten Widerstand und eine bekannte Induktivität hat, z. B. eine Ferritperle auf einer Leitung, ein Widerstand, ein Kondensator oder Geräte mit Parasiten, müssen wir berücksichtigen, dass sich die Impedanz mit der Frequenz ändert.
2.3 Aktueller Mechanismus der Trassenwahl
Oberhalb einiger kHz wird die Reaktanz normalerweise größer als R. Aber nicht immer. Der Strom wählt den Weg mit der geringsten Impedanz. Unterhalb einiger kHz kann der Widerstand der kleinste Pfad sein. Oberhalb einiger kHz kann der Blindwiderstand dominieren. Viele Schaltungen arbeiten oberhalb von kHz, so dass die einfache Vorstellung “Strom wählt den Weg des geringsten Widerstands” nicht mehr vollständig erklärt, wie Strom auf einer Übertragungsleitung fließt.
Bei Leitern, die Strom über 10 kHz führen, wählt der Strom den Pfad mit der geringsten Impedanz. Wenn die Lastimpedanz an einen Draht, ein Kabel oder eine Leiterbahn angeschlossen ist und größer ist als die Parallelkapazität auf dem Übertragungspfad, dominiert die Induktivität. Wenn alle angeschlossenen Drähte einen ähnlichen Querschnitt haben, hat der Pfad mit der kleinsten Schleifenfläche die geringste Induktivität. Je kleiner die Schleifenfläche ist, desto geringer ist die Induktivität. Der Strom fließt also in diese Richtung.
2.4 Einfluss der Leiterbahninduktivität auf die HF-Energie
Jede Leiterbahn hat eine begrenzte Impedanz. Die Leiterbahninduktivität ist der einzige Grund, warum HF-Energie auf einer Leiterplatte vorhanden sein kann. Lange Bonddrähte zwischen einem Siliziumchip und einem Montagepad können ebenfalls HF-Energie verursachen. Das Routing auf einer Leiterplatte kann zu einer hohen Induktivität führen, insbesondere wenn die Leiterbahnen lang sind. Eine lange Leiterbahn bedeutet, dass die Länge des Umlaufs groß ist. Dies führt zu einer Zeitverzögerung in der Leiterbahn. Ein Signal kann gestartet werden, bevor das vorherige zurückkehrt. Im Frequenzbereich wird eine Leiterbahn “lang”, wenn ihre Gesamtlänge größer als etwa λ/10 bei einer in der Leiterbahn vorhandenen Frequenz ist.
Kurz gesagt: Eine HF-Spannung über eine Impedanz erzeugt einen HF-Strom. Dieser HF-Strom kann Energie in den freien Raum abstrahlen und EMV-Grenzwerte verletzen. In diesen Beispielen werden die Maxwell-Gleichungen mit einfacher Mathematik mit der Leiterplattenverlegung verknüpft.
2.5 Rechte-Hand-Regel für die Richtung des magnetischen Flusses
Maxwell sagt, dass bewegte Ladung auf einer Spur Strom erzeugt. Strom erzeugt ein magnetisches Feld. Diese magnetischen Flusslinien folgen der Leiterbahn. Benutze die Rechte-Hand-Regel, um die Flussrichtung zu bestimmen. Richte deinen Daumen in die Stromrichtung. Deine gekrümmten Finger zeigen das Magnetfeld um die Leiterbahn. Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt ein senkrechtes elektrisches Feld. Die HF-Strahlung ist die Mischung aus diesem magnetischen und elektrischen Feld. Die Felder können die Leiterplatte durch Strahlung oder durch Ableitung entlang angeschlossener Kabel verlassen.
Beachten Sie, dass das Magnetfeld um eine geschlossene Schleifengrenze herum verläuft. Auf einer Leiterplatte treibt die Quelle den HF-Strom über eine Leiterbahn von der Quelle zur Last. Der HF-Strom muss zur Quelle zurückkehren (Ampere'sches Gesetz). Dies ergibt eine HF-Stromschleife. Die Schleife muss nicht kreisförmig sein, ist aber oft spiralförmig. Da der Rückweg eine geschlossene Schleife bildet, entsteht ein Magnetfeld. Das magnetische Feld erzeugt ein abgestrahltes elektrisches Feld. Im Nahfeld können die magnetischen Anteile überwiegen. Aber im Fernfeld beträgt das Verhältnis E/H (Wellenwiderstand) etwa 120π Ω oder 377 Ω. Dieser Wert ist nicht von der Quelle abhängig. Im Fernfeld kann man also eine Schleifenantenne und einen empfindlichen Empfänger verwenden, um den magnetischen Anteil zu messen. Der empfangene Strom ist E/(120π) in A/m, wenn E in V/m ist. Auch im Nahfeld kann man den elektrischen Anteil mit geeigneten Geräten messen.
2.6 Bedeutung von Regelkreisen
Eine weitere einfache Sichtweise auf HF auf Leiterplatten ergibt sich aus typischen Schaltungen, die in Abbildungen dargestellt sind. Verwenden Sie die Analyse im Zeitbereich und im Frequenzbereich. Die Gesetze von Kirchhoff und Ampere besagen, dass ein geschlossener Kreislauf vorhanden sein muss, damit eine Schaltung funktioniert. Das Kirchhoffsche Spannungsgesetz besagt, dass die Summe der Spannungen in jedem geschlossenen Pfad gleich Null ist. Das Ampere'sche Gesetz besagt, dass ein Strom an einem Punkt eine magnetische Induktion erzeugt, die auf dem Strom und der Geometrie beruht.
Gäbe es keinen geschlossenen Kreislauf, könnte ein Signal nicht von der Quelle zur Last auf einer Übertragungsleitung gelangen. Wenn sich ein Schalter schließt, bildet sich der Stromkreis und es fließt ein Wechsel- oder Gleichstrom. Im Frequenzbereich ist dieser Strom HF-Energie. Es gibt keine getrennte Art von Strom im Zeit- oder Frequenzbereich. Es gibt nur einen Strom, und wir können ihn in beiden Bereichen sehen. Der HF-Rückweg muss von der Last zur Quelle vorhanden sein, sonst kann die Schaltung nicht funktionieren. Daher muss die Leiterplattenstruktur den Maxwell-, Kirchhoff- und Ampere-Regeln gehorchen.
Alle diese Gesetze besagen: Damit ein Stromkreis wie erwartet funktioniert, muss ein geschlossener Kreislauf vorhanden sein. Eine Abbildung zeigt eine solche typische Schaltung. Wenn eine Leiterbahn von der Quelle zur Last führt, muss es einen Rückstrompfad geben. Das ist Kirchhoff und Ampere.
Eine zweite Abbildung würde einen Schalter und einen Treiber E in Reihe zeigen. Wenn der Schalter geschlossen ist, funktioniert der Stromkreis. Ist er offen, funktioniert er nicht. Im Zeitbereich geht das gewünschte Signal von der Quelle zur Last. Das Signal muss einen Rückweg haben, in der Regel durch eine 0-V-Masse-Referenz. HF-Ströme fließen von der Quelle zur Last und kehren über den Weg mit der geringsten Impedanz zurück. Dies geschieht häufig über eine Massebahn oder -ebene, eine Spiegelebene. Erklären Sie den HF-Strom mit dem Ampere'schen Gesetz.
3. Flussminimierung (Minimierung des magnetischen Flusses)
3.1 Mechanismus der Erzeugung des magnetischen Flusses
Bevor wir uns mit der Frage beschäftigen, wie EMI in einer Leiterplatte entsteht, müssen wir lernen, wie sich magnetische Linien auf Übertragungsleitungen bilden. Der magnetische Fluss ist eine zentrale Idee. Er entsteht, wenn Strom durch eine feste oder veränderliche Impedanz fließt. Impedanzen gibt es in Leiterbahnen, Bauteilanschlüssen, Durchkontaktierungen usw. Wenn ein Fluss auf der Leiterplatte vorhanden ist, gibt es laut Maxwell auch HF-Energiepfade. Diese Pfade können in den freien Raum abstrahlen oder durch Kabel ableiten.
3.2 Das Prinzip der Flussaufhebung
Um den HF-Strom auf der Leiterplatte zu entfernen, verwenden wir “Flussauslöschung” oder “Flussminimierung”. Magnetische Linien verlaufen in einer Richtung um die Leiterbahn. Wenn wir den HF-Rückweg parallel und nahe an der Leiterbahn der Quelle verlegen, verläuft das Feld des Rückwegs entgegengesetzt zum Feld der Quelle. Wenn Felder in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, heben sie sich auf. Wenn der unerwünschte Fluss zwischen Quelle und Rückleitung aufgehoben oder klein gehalten wird, gibt es keine Strahlung oder leitenden HF-Strom, außer an sehr kleinen Leiterbahnkanten. Das Konzept der Aufhebung des Flusses ist einfach. Achten Sie beim Entwurf jedoch auf Fallen und kleine Fehler. Ein kleiner Fehler kann viele zusätzliche Probleme verursachen, die die Fehlersuche erschweren.
Die einfachste Methode zur Flussaufhebung ist die Verwendung einer Bildebene (Spiegelebene). Egal, wie gut Sie die Leitungen verlegen, elektrische und magnetische Felder werden immer vorhanden sein. Aber wenn Sie die magnetischen Linien auslöschen, gibt es keine EMI mehr. So einfach ist das.
3.3 Tipps zur Flussmittelminimierung beim PCB-Layout
Wie hebt man Flussmittel im PCB-Layout auf? Es gibt viele Tipps. Nicht alle heben das Flussmittel direkt auf. Einige davon sind üblich:
- Verwenden Sie mehrlagige Leiterplatten mit korrekter Stapelbelegung und Impedanzkontrolle.
- Verlegen Sie die Taktspuren in der Nähe der Rückführungsmasse (bei mehrlagigen Leiterplatten). Verwenden Sie bei ein- oder doppelseitigen Leiterplatten Masse- oder Schutzleiterbahnen in der Nähe von Taktleitern.
- Erfassen Sie den magnetischen Fluss aus dem Inneren von Kunststoffgehäusen in der 0-V-Referenz, um die Strahlung der Komponenten zu verringern.
- Wählen Sie Logikbauteile sorgfältig aus, um das HF-Spektrum, das die Bauteile abstrahlen, zu reduzieren. Verwenden Sie nach Möglichkeit Geräte mit niedrigeren Flankenraten.
- Reduzieren Sie die HF-Treiberspannung von Taktgebern (TTL/CMOS), um den HF-Strom auf den Leiterbahnen zu verringern.
- Geringere Erdungsstörspannung, die zwischen Leistungs- und Erdungsebene besteht.
- Wenn viele Gerätepins gleichzeitig schalten, um eine große kapazitive Last anzusteuern, muss für eine ausreichende Entkopplung des Bauteils gesorgt werden.
- Schließen Sie Takt- und Signalleitungen ordnungsgemäß ab, um Klingeln, Über- und Unterschwingen zu vermeiden.
- Verwenden Sie Datenleitungsfilter und Gleichtaktdrosseln in Netzwerken, die diese benötigen.
- Bei externen E/A-Kabeln sind Bypass-Kondensatoren korrekt zu verwenden (nicht als Entkopplung).
- Bei Komponenten, die viel Gleichtakt-HF-Energie abstrahlen, sollten Sie ihnen einen geerdeten Kühlkörper zur Verfügung stellen.
3.4 Andere Ursachen für EMI in PCBs
Ein Blick auf die Liste zeigt, dass der magnetische Fluss nur ein Teil der EMI auf Leiterplatten ist. Andere Ursachen sind:
- Gleichtakt- und Gegentaktströme zwischen Schaltkreis und E/A-Kabeln.
- Erdschleifen, die Magnetfeldstrukturen erzeugen.
- Strahlende Komponenten.
- Impedanz-Fehlanpassung.
Hinweis: Die meiste EMI-Strahlung stammt von Gleichtaktspannungen. Auf einer Platine oder einem Schaltkreis können diese Gleichtaktpegel in kleine Felder umgewandelt werden.
Schlussfolgerung
Um EMI auf Leiterplatten zu beseitigen, muss zunächst der magnetische Fluss reduziert werden. Das zu sagen ist einfach, aber es zu tun ist schwieriger. HF-Energie ist unsichtbar und schwer zu finden. Indem Sie herausfinden, wo und in welche Richtung HF-Strom fließt, und indem Sie die oben genannten Tipps und die Regeln von Maxwell, Kirchhoff und Ampere anwenden, können Sie den verdächtigen Bereich eingrenzen. Finden Sie dann die eigentliche EMI-Quelle und beseitigen Sie sie.
