Beim PCB-Design waren die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die damit verbundenen elektromagnetischen Interferenzen (EMI) schon immer zwei große Probleme, die den Ingenieuren Kopfzerbrechen bereiteten, insbesondere in der heutigen Situation, in der das Leiterplattendesign und die Komponentenverpackung schrumpfen und OEMs Systeme mit höherer Geschwindigkeit benötigen.

1. Übersprechen und Verkabelung sind die entscheidenden Punkte

Die Verkabelung ist besonders wichtig, um den normalen Stromfluss sicherzustellen. Wenn der Strom von einem Oszillator oder einem ähnlichen Gerät stammt, ist es besonders wichtig, den Strom von der Erdungsebene getrennt zu halten oder ihn nicht parallel zu einer anderen Leiterbahn fließen zu lassen. Zwei parallele Hochgeschwindigkeitssignale erzeugen EMV und EMI, insbesondere Übersprechen. Der Widerstandspfad muss am kürzesten sein und der Rückstrompfad muss so kurz wie möglich sein. Die Länge des Rückpfad-Trace sollte mit der Länge des Sende-Trace übereinstimmen.

Bei EMI wird das eine als „verletzte Verkabelung“ und das andere als „viktimisierte Verkabelung“ bezeichnet. Die Kopplung von Induktivität und Kapazität wirkt sich aufgrund des Vorhandenseins elektromagnetischer Felder auf die „Opferspur“ aus und erzeugt dadurch Vorwärts- und Rückwärtsströme auf der „Opferspur“. In diesem Fall werden Wellen in einer stabilen Umgebung erzeugt, in der die Übertragungslänge und die Empfangslänge des Signals nahezu gleich sind.

In einer ausgewogenen und stabilen Verkabelungsumgebung sollten sich die induzierten Ströme gegenseitig aufheben, um Übersprechen zu verhindern. Allerdings leben wir in einer unvollkommenen Welt und solche Dinge werden nicht passieren. Daher ist es unser Ziel, das Übersprechen aller Leiterbahnen auf ein Minimum zu beschränken. Wenn die Breite zwischen parallelen Leitungen doppelt so groß ist wie die Breite der Leitungen, kann der Effekt des Übersprechens minimiert werden. Wenn die Spurbreite beispielsweise 5 mil beträgt, sollte der Mindestabstand zwischen zwei parallel verlaufenden Spuren 10 mil oder mehr betragen.

Da weiterhin neue Materialien und neue Komponenten auf den Markt kommen, müssen sich PCB-Designer weiterhin mit Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit und Interferenzen befassen.

2. Entkopplungskondensator

Entkopplungskondensatoren können die negativen Auswirkungen von Übersprechen verringern. Sie sollten sich zwischen dem Stromversorgungs-Pin und dem Erdungs-Pin des Geräts befinden, um eine niedrige Wechselstromimpedanz zu gewährleisten und Rauschen und Übersprechen zu reduzieren. Um über einen weiten Frequenzbereich eine niedrige Impedanz zu erreichen, sollten mehrere Entkopplungskondensatoren verwendet werden.

Ein wichtiger Grundsatz bei der Platzierung von Entkopplungskondensatoren besteht darin, dass der Kondensator mit dem kleinsten Kapazitätswert so nah wie möglich am Gerät sein sollte, um den Induktivitätseffekt auf die Leiterbahn zu reduzieren. Dieser spezielle Kondensator befindet sich so nah wie möglich am Stromanschluss oder der Stromleiterbahn des Geräts und verbindet das Pad des Kondensators direkt mit der Durchkontaktierung oder Masseebene. Wenn die Leiterbahn lang ist, verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen, um die Erdungsimpedanz zu minimieren.

3. Erden Sie die Platine

Eine wichtige Möglichkeit zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen ist die Gestaltung der Leiterplatten-Masseebene. Der erste Schritt besteht darin, den Erdungsbereich innerhalb der Gesamtfläche der Leiterplatte so groß wie möglich zu gestalten, wodurch Emissionen, Übersprechen und Rauschen reduziert werden können. Beim Anschluss jeder Komponente an den Erdungspunkt oder die Erdungsebene ist besondere Vorsicht geboten. Geschieht dies nicht, wird die neutralisierende Wirkung einer zuverlässigen Masseebene nicht voll ausgenutzt.

Ein besonders komplexes PCB-Design weist mehrere stabile Spannungen auf. Idealerweise verfügt jede Referenzspannung über eine eigene entsprechende Masseebene. Wenn die Erdungsschicht jedoch zu groß ist, erhöht dies die Herstellungskosten der Leiterplatte und macht den Preis zu hoch. Der Kompromiss besteht darin, Erdungsebenen in drei bis fünf verschiedenen Positionen zu verwenden, und jede Erdungsebene kann mehrere Erdungsteile enthalten. Dies kontrolliert nicht nur die Herstellungskosten der Leiterplatte, sondern reduziert auch EMI und EMV.

Wenn Sie die EMV minimieren möchten, ist ein Erdungssystem mit niedriger Impedanz sehr wichtig. Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte ist es am besten, über eine zuverlässige Masseebene zu verfügen und nicht über eine Kupferdiebstahl- oder Streumasseebene, da diese eine niedrige Impedanz aufweist, einen Strompfad bereitstellen kann und die beste Rücksignalquelle darstellt.

Auch die Zeitspanne, in der das Signal zum Boden zurückkehrt, ist sehr wichtig. Die Zeit zwischen dem Signal und der Signalquelle muss gleich sein, sonst kommt es zu einem antennenähnlichen Phänomen, wodurch die abgestrahlte Energie Teil der EMI wird. Ebenso sollten die Leiterbahnen, die Strom zur/von der Signalquelle übertragen, so kurz wie möglich sein. Wenn die Länge des Quellpfads und des Rückpfads nicht gleich sind, kommt es zu einem Bodensprung, der ebenfalls elektromagnetische Störungen erzeugt.

4. Vermeiden Sie einen 90°-Winkel

Um elektromagnetische Störungen zu reduzieren, vermeiden Sie, dass Leitungen, Durchkontaktierungen und andere Komponenten einen 90°-Winkel bilden, da rechte Winkel Strahlung erzeugen. An dieser Ecke erhöht sich die Kapazität und auch die charakteristische Impedanz ändert sich, was zu Reflexionen und dann zu elektromagnetischen Störungen führt. Um 90°-Winkel zu vermeiden, sollten Leiterbahnen mindestens in zwei 45°-Winkeln zu den Ecken geführt werden.

5. Verwenden Sie Durchkontaktierungen mit Vorsicht

In fast allen Leiterplattenlayouts müssen Vias verwendet werden, um leitende Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten herzustellen. PCB-Layout-Ingenieure müssen besonders vorsichtig sein, da Durchkontaktierungen Induktivität und Kapazität erzeugen. In einigen Fällen erzeugen sie auch Reflexionen, da sich die charakteristische Impedanz ändert, wenn in der Leiterbahn eine Durchkontaktierung hergestellt wird.

Denken Sie auch daran, dass Durchkontaktierungen die Länge der Leiterbahn erhöhen und angepasst werden müssen. Wenn es sich um eine differenzielle Leiterbahn handelt, sollten Durchkontaktierungen so weit wie möglich vermieden werden. Wenn dies nicht vermieden werden kann, verwenden Sie Durchkontaktierungen in beiden Leiterbahnen, um Verzögerungen im Signal- und Rückweg auszugleichen.

6. Kabel- und physische Abschirmung

Kabel, die digitale Schaltkreise und analoge Ströme übertragen, erzeugen parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, die viele EMV-Probleme verursachen. Wenn ein Twisted-Pair-Kabel verwendet wird, wird der Kopplungsgrad niedrig gehalten und das erzeugte Magnetfeld wird eliminiert. Für Hochfrequenzsignale muss ein abgeschirmtes Kabel verwendet werden und die Vorder- und Rückseite des Kabels müssen geerdet sein, um EMI-Störungen zu vermeiden.

Bei der physischen Abschirmung wird das gesamte System oder ein Teil davon mit einem Metallgehäuse umhüllt, um zu verhindern, dass elektromagnetische Störungen in den Leiterplattenschaltkreis gelangen. Diese Art der Abschirmung ähnelt einem geschlossenen, geerdeten, leitenden Behälter, der die Größe der Antennenschleife reduziert und elektromagnetische Störungen absorbiert.