Schaltungsentwurf

Schaltplan zeichnen bedeutet EMV planen

 

Einen Schaltplan EMV-gerecht zu zeichnen gleicht beinahe der Quadratur des Kreises.

Auf der einen Seite muss er übersichtlich sein, auf der anderen Seite soll er alle wichtigen Informationen enthalten. Ein wesentlicher Aspekt für die Lesbarkeit ist die Verwendung von speziellen Symbolen für Masse, Ground, oder die verschiedenen Spannungslevel. Hierin liegt für die EMV aber direkt ein wesentliches Problem. Wird doch durch ein einheitliches Zeichen suggeriert, dass an allen diesen Stellen das gleiche Spannungsniveau anliegt. Das gilt aber nur für den DC-Fall.

 

Jedes Stück Kupfer (oder sonstigem Leitermaterial) - egal ob Leiterbahn, Kabel oder Gehäuse - hat mit steigender Frequenz eine zunehmende Impedanz. Das bedeutet zwischen 2 scheinbar spannungsgleichen Punkten kann ein erheblicher Unterschied des HF-Spannungsniveaus vorherrschen. Dies führt zu Ausgleichströmen und/oder Spannungsabfällen, die wiederum Ursache von Emissionen sein können. Koppeln HF-Störungen von außen ein, fällt über diese Strecken eine Spannung ab, die Ursache für Störfestigkeitsprobleme sein kann.

Masse aufteilen? Nur im Ausnahmefall!

Oft wird versucht dem vor zu beugen, in dem z.B. statt einem Massesymbol mehrere verschiedene verwendet werden. Dies folgt der Idee dass im Layout oder Kabelbaum damit "zusammengehörende" Signale eng beieinander ausgeführt werden und gleichzeitig Verkopplungen verhindert werden sollen. Die verschiedenen Schaltungsteile müssen aber miteinander kommunizieren. In Folge werden Signalleitungen über die Massespalte geroutet. Die Rückströme sind nun gezwungen Umwege zu nehmen (Schleifen entstehen) und/oder werden durch unnötige Engstellen gezwängt (erhöhte galvanische Verkopplung). Deshalb: Routen Sie niemals Signalleitungen über Massespalten. All dies bewirkt das Gegenteil von dem was beabsichtigt war.

 

In ganz speziellen Einzelfällen kann es sinnvoll sein dennoch eine Massetrennung vorzunehmen. Dann müssen aber alle Effekte - vor allem die meist nicht einfach zu erkennenden parasitären - durchdacht und verstanden sein. Insbesondere muss das Routing ALLER Signalleitungen darauf abgestimmt sein.

EMV-Hinweise als Bestandteil jedes Schaltplans

Die skizzierten und weitere sich widersprechende Anforderungen an den Schaltplan sind i.d.R. mit der klassischen schematischen Zeichnung eines Stromlaufplans nicht darstellbar.

Die EMV-Anforderungen müssen beispielsweise als Klartext ergänzt werden. Ob dies direkt in den Schaltplan geschrieben werden sollte oder in einem separaten Dokument formuliert wird, hängt vor allem von der Komplexität der Schaltung ab.

Zonen- und Versorgungskonzept

Eine Lösung für die beschriebenen Probleme kann die Definition eines Zonenkonzepts sein.

Eine zentrale Rolle nimmt auch das auf die jeweilige Anforderungen abgestimmte Versorgungskonzept ein.

Welche Signale sind parallel zu führen, welche sollten sich möglichst nicht begegnen? Wie kann eine gezielte Entkopplung erfolgen?

Bei mehrlagigen Leiterplatten ist gezielt zu planen welche Signale in welchen Ebenen verlaufen sollen.

 

All dies und einiges mehr sollte in den EMV-Hinweisen beschrieben werden.

Mehr hierzu lesen Sie im Kapitel EMV-gerechtes Layout.

 

Sehr wichtig ist in dieser Phase auch eine enge Verzahnung mit Mechanik und Software.

 

EMV-gerechtes Layout

Parasitäre Elemente werden im Layout Teil der Schaltung - störende, aber auch nützliche.

Eine aktive Gestaltung bringt den Erfolg.

 

Die wichtigste Regel überhaupt: Beachten Sie immer auch den Pfad des Rückstroms.
Denken Sie in geschlossenen Strompfaden!

 

Versorgungskonzept und Masse

Das Versorgungskonzept (incl. Masse + Ground als Bestandteile davon) bildet das Grundgerüst jeder guten Schaltungsumsetzung.

 

Hochfrequente Emissionen sind mehrheitlich auf Oberwellen von Schaltvorgängen zurück zu führen und stellen im Prinzip hochfrequente Mikroeinbrüche von Versorgungssystemen dar. D.h. je "härter" ein Versorgungssystem ausgelegt ist, um so niedriger fallen Emissionsprobleme aus.

Auf der andren Seite erhöht ein EMV-stabiles Versorgungssystem die Störfestigkeit und sorgt nicht zuletzt für eine höhere Signalintegrität.

 

Bei Leiterplatten mit mind. 4 Lagen gilt eine weitere EMV-Regel.

Mindestens ein Layer ist eine durchgängige Masselage, ohne Schlitze, Einschnitte oder andere Signale.

Nur auf den ersten Blick ein Nachteil - die Vorteile überwiegen bei weitem.

Bei keinem Projekt bei dem ich eine durchgängige Masselage vorgeschlagen hatte, musste deswegen die Anzahl der Layer erhöht werden!

 

Einfach alle Signale auf diese Masselage zu beziehen ist dennoch zu einfach gedacht.

Die Masse muss 2 sich wiedersprechende Aufgaben übernehmen

  1. Sie soll für alle Baugruppen ein einheitliches Bezugspotential zur Verfügung stellen.
  2. Alle Störungen sollen möglichst schnell über sie abgeleitet werden.

Im Hinblick auf stetig steigende Frequenzen und gleichzeitig immer höheren geschalteten Leistungen gilt es die Masse und mit ihr das gesamte Versorgungskonzept differenzierter zu betrachten.

 

Lagenaufbau von Leiterplatten

Dem Lagenkonzept kommen gleich mehrere Rollen zu. Auf der einen Seite ist es Teil des Versorgungskonzepts und kann dieses bei richtiger Auslegung in der Frequenz entscheidend nach oben erweitern. Zum anderen wird hier festgelegt wie Signale von einander abgeschirmt und damit entkoppelt werden können.

 

Bevor mit dem Routing begonnen wird, ist zu definieren wieviel Lagen das Layout bekommen soll, auf welchen Lagen welche Signale zu führen sind und wie groß die Abstände zueinander sind. Einfach zu routen wo Platz ist, ohne vorab diese Fragen geklärt zu haben, birgt große Risiken für die EMV-Qualität.

Hier spielt auch die Frage welche Bestückungsverfahren und Löttechniken in der Fertigung verwendet werden eine Rolle.

 

CE-Kennzeichnung + Pflicht zur Risikoanalyse

Risikoanalyse zur Kostenreduzierung nutzen

In EMV-Richtlinie 2014/30/EU ist die EMV-Risikoanalsyse vorgeschrieben.

Wird die Risikoanalyse als Chance zu Beginn der Entwicklung (und nicht als notwendige Dokumentationspflicht) betrachtet, so kann hiermit die Entwicklung zielgerichteter, effizienter und somit kostengünstiger durchgeführt werden.

  • Rekursionen werden vermieden
  • Filter- und Entstöraufwand werden reduziert
  • EMV-Kosten werden gesenkt

Dieses Vorgehen empfiehlt ich auch für andere Bereiche wie Automotive o.a.

 

Gehäuse, Stecker, Kabel und Co.

Gehäuse

Mit der Gehäusegeometrie wird u.a. definiert wo wieviel Bauraum wo verbleibt. Geschieht dies ohne Berücksichtigung der EMV so können andere Teile (Leiterplatte. Kabelbaum, etc.) u.U. nicht optimal ausgelegt werden. Bsp. Höhere Bauteile müssen auf der Leiterplatte an einer Stelle platziert werden, die das Zonenkonzept schwächt oder größere Schleifen verursacht. Dies muss an anderer Stelle mit zusätzlichen Maßnahmen kompensiert werden, was in jedem Fall zusätzliche Kosten generiert und nicht immer funktioniert.

 

Ecken und Kanten von leitfähigen Gehäusen bilden aus mehrerlei Hinsicht EMV-Schwachstellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn hier verschiedene Gehäuseteile zusammengefügt werden. Es entstehen sogenannte Schlitzantennen. Im ungünstigsten Fall können diese Antennen auch - wie herkömmliche Antennen die für den Sende-/Empfangsbetrieb konzipiert wurden - einen positiven Gewinn erzielen. Das bedeutet die Störungen werden zusätzlich verstärkt. Hier gibt es verschiedene Lösungsansätze mit sehr unterschiedlichen, individuell zu bewertenden Kostenpotentialen.

Stecker

Die Steckergeometrie, deren Anordnung und ihre Pinbelegung definieren welche Ströme wo fließen, welche Leitungen eng bei einander verlaufen (auf Leiterplatte und in der Verkabelung), wie störende Signale getrennt werden können und in welchem Maße störende Schleifen aufgespannt werden. Überlegen Sie sich im Vorfeld welche Einflüsse sie auf das Innen und das Außen nehmen. Eine einfache Handskizze kann je nach Komplexität schon einen Vorteil bringen.

 

Kommen mehrere Stecker zum Einsatz kann eine ungünstige Anordnung eine gute EMV-Performance von Beginn an zunichtemachen. Insbesondere Stecker auf gegenüberliegenden Gehäuseseiten sollten wenn irgend möglich vermieden werden.

Kabelbaum und Verdrahtung

Schleifen, die innerhalb der Verkabelung zwangsläufig entstehen, müssen aus EMV-Sicht gestaltet werden. Müssen Leitungen geschirmt werden? Wenn ja wie - einseitig aufgelegt oder beidseitig? Wann macht eine Verdrillung Sinn? Gibt es evtl. andere, kostengünstigere Ansätze?

 

Bei all diesen Fragen stehen einige zentrale Aspekte im Mittelpunkt. Liegt der Fokus auf elektrischen, magnetischen, oder elektromagnetischen Feldern? Damit kommen direkt die Größe der Nutzfrequenzen und deren Oberwellenspektren ins Spiel.

 

Software - Einfluss und Möglichkeiten

Wenn wir über den Zusammenhang von Software und EMV reden, dreht sich die Diskussion meist um 3 Themenfelder.

  • Abtastraten von (Mess-)Signalen
  • Softwarefilter
  • Frequenzen und Flankensteilheiten

Das Schöne an diesem Themenblock ist die Tatsache, dass wir über EMV-Maßnahmen reden die bzgl. Stück- und Fertigungskosten völlig kostenfrei sind.

Abtastraten

Die Festlegung von verwendeten Abtastraten für die Auswertung von (Mess-)Signalen folgt oft der Überlegung maximale Auflösung bzw. maximale Geschwindigkeit zu erreichen. Dies wird mit einer hohen Qualität der Auswertung gleichgesetzt.

Das bedeutet aber auch dass ich "jede" noch so kleine Störung detektiere. Die Folge ist eine hohe Empfindlichkeit gegen EMV-Störungen.

 

Deshalb ist stets abzuwägen wie schnell bzw. hochauflösend muss ich denn wirklich sein. Oft reicht für die stabile Funktion auch weniger.

Insbesondere Analogsignale sind auf der einer Seite sehr störanfällig. Auf der anderen Seite reicht hier oft eine "langsame" Auswertung.

Von hier ist der Übergang fließend zu ...

Softwarefilter

Wenn ich beispielsweise weiß, dass eine Zustandsänderung eines Signals eine gewisse Zeit anstehen muss damit es funktional relevant wird, kann ich schnelle Störungen über Zeitglieder elegant herausfiltern.

 

Ich habe die Erfahrung gemacht, dass Softwareentwickler geniale Ideen für Filter entwickeln, wenn sie seitens der EMV-Verantwortlichen auf die Zusammenhänge und Herausforderungen aufmerksam gemacht werden. Nur wenige Softwareentwickler sind gleichzeitig Hochfrequenzspezialisten, ebenso wie umgekehrt.

 

Im Teamwork liegt hier einmal mehr der Erfolg begründet.

Frequenzen und Flankensteilheiten

Frequenzen und Flankensteilheiten bestimmen maßgeblich das Emissionspotential eines Signals. Genau wie bei den Abtastraten gilt auch hier:

So viel wie nötig, so wenig wie möglich.

 

Embedded Systems

Komponenten im Systemverbund

Werden Produkt A (EMV-Eigenschaften a) mit Produkt B (EMV-Eigenschaften b) zusammen betrieben, so resultiert daraus ein EMV-Verhalten c, das mit a und b u.U. nicht viel gemein hat.

Die Ursachen liegen meist in parasitären Effekten, die nicht einfach zu erkennen sind.

Die Zusammenhänge können jedoch im Vorfeld bereits analysiert werden.

Wie umgehen mit Zukaufteilen?

Auf die EMV-Konformität eines Zukaufteils (egal ob tatsächlich gegeben oder nur bescheinigt) kann man sich im eigenen System nicht verlassen. Mit einfachen Untersuchungen kann das spätere Verhalten analysiert werden. Spätere Entstörung kostet ein Vielfaches.