Beginnen Sie im Konzept!

EMV-Prozess

Der frühe Vogel fängt den Wurm

 

Die zielgerichte EMV-Entwicklung folgt einem Fahrplan.

Die Grundlagen werden in der Konzeptphase gelegt. Mit einfachen Analyseverfahren erkennen Sie Störer und Mimosen in der Schaltung - im Blockschaltbild (oder einer Funktionsskizze) meist einfacher als im fertigen Schaltbild. Über den Entwicklungsfortschritt gehen Sie iterativ immer mehr in die Tiefe. Sie übersehen keine potentiellen EMV-Schwächen und können sofort die richtigen Weichen stellen - der Aufwand bleibt in Grenzen.

Diese Seite mit Tipps und Tricks wird stetig erweitert.

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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 herrschen. 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.

 

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.

 

Masse aufteilen? Nur in seltenen Ausnahmefällen!

Bei Leiterplatten mit mind. 4 Lagen gilt:

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.

 

Oft wird versucht EMV-Störungen vor zu beugen, in dem z.B. statt einem Massesymbol mehrere verschiedene verwendet werden. Man will Schaltungsteile mit unterschiedlichen Störpotentialen dadurch trennen. Dies folgt der Idee dass im Layout oder Kabelbaum damit "zusammengehörende" Signale eng beieinander ausgeführt werden und gleichzeitig Verkopplungen verhindert werden sollen.

Dies führt dann unweigerlich zu Unterbrechungen in der Masselage. Die verschiedenen Massepotentiale werden nur an wenigen Stellen verbunden.

 

Die verschiedenen Schaltungsteile müssen aber miteinander kommunizieren. In Folge werden Signalleitungen über 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. Die Erfahrung lehrt in deutlich über 90% der Fälle verschlechtert eine Auftrennung der Masse die EMV-Situation!

 

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

 

In wenigen 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.

Eine solche Ausnahme ergibt sich beispielweise wenn eine galvanische Trennung zweier Schaltungsteile notwendig ist, wie es z.B. bei PoE (Power over Ethernet) gefordert wird.

 

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.

 

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!

 

Zonenkonzept

Einfach alle Signale auf die Masselage zu beziehen ist zu einfach gedacht.

Die Masse muss 2 sich wiedersprechende Aufgaben übernehmen

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

Zwei sich im ersten Moment widersprechende Eigenschaften - hier schlägt die Stunde eines guten Zonenkonzepts.

Hier werden Störer und Mimosen sinnvoll getrennt.

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

Die Grundlagen hierfür wurden bereits in der Konzepthase erarbeitet.

 

Mit der Versorgung verhält es sich ähnlich. Masse und Versorgung sind hf-mäßig betrachtet zwei Seiten der gleichen Medaille. Dennoch gibt es Unterschiede: Eine durchgängige Versorgungslage macht selten Sinn - auch wegen des eingeschränkten Platzangebotes. Hier gilt es i.d.R. sinnvolle Versorgungsinseln zu generieren.

 

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.

 

Vor dem Routing 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 spielen auch Bestückungsverfahren und Löttechniken in der Fertigung eine Rolle.


 

 

Das Paradoxon der Masse

Die Elektronik-Masse muss gleichzeitig 2 Aufgaben übernehmen, die scheinbar im Widerspruch stehen.

Um diesen Widerspruch aufzulösen und die Masse zu befähigen beide Aufgaben zu übernehmen, bedarf es einer konsequenten Planung der Masse – schaltungstechnisch UND geometrisch.

 

Bezugspotential

Egal ob Sensoren, Spannungswandler oder andere Schaltungsteile, alle sind darauf angewiesen auf ein gleichbleibendes Bezugspotential zugreifen zu können. Unzulässige Masseversätze führen meist zu Fehlern.

 

Potentialausgleich

Um EMV-Störungen zu vermeiden bzw. in den Griff zu bekommen, wird versucht diese gegen Masse abzuleiten. Filter sind hier das bekannteste und gleichzeitig beliebteste Mittel der Wahl.

 

Leider verkommt die Masse dabei oft zum „Mülleimer“. Oft scheinen die Störungen aus dem Sinn zu sein, wenn sie „erfolgreich“ gegen Masse abgeleitet wurden. Doch oft beginnen die Probleme erst jetzt so richtig.

 

Es ist leicht einzusehen, dass eine Masse die alle EMV-Störungen “aufnehmen“ muss, nicht gleichzeitig Ihrer Rolle als ruhiges gleichmäßiges Bezugspotential übernehmen kann. Eine „verseuchte“ Masse erhöht gleichzeitig andere Störphänomene (z.B. den „Ground Bounce“) und hat unmittelbar negative Einflüsse auf die Signalintegrität.

 

Widerspruch auflösen

Eine geometrische Trennung von „empfindlich“ und „störend“ ist angezeigt.

In der realen Umsetzung ist dies jedoch oft schwieriger als gedacht. Ein gerne benutzter Ansatz ist die Verwendung verschiedener Massesysteme, z.B. in Form getrennter Masseflächen. Diese werden dann nur an wenigen Stellen miteinander verbunden.

 

Diese Vorgehensweise bringt aber in der Regel mehr Probleme mit sich, als sie löst. Der Grund liegt darin, dass sich die strikte Trennung auf Versorgungs- und Signalseite fast nie durchhalten lässt. Am Ende werden induktive und galvanische Verkopplungen stark erhöht, was zusätzlichen Entstöraufwand nach sich zieht. Kosten und Bauraumbedarf steigen unnötig!

 

Eine Massetrennung kann in wenigen speziellen Einzelfällen eine Lösung bringen. Deren korrekte Umsetzung ist aber äußerst kompliziert, weil die Vielzahl der parasitären Nebenwirkungen meist nur sehr schwer zu erkennen und zu vermeiden sind.

 

Der Störspannungsabstand sinkt zudem. Dieser ist ein zentrales Maß für die EMV-Güte.

 

Meist lassen sich die beiden Aufgaben Bezugspotential und Potentialausgleich durch eine frühzeitige, gezielte Planung und räumliches separieren lösen. Ein durchdachtes Zonenkonzept ist ein gutes Mittel der Wahl. Hierzu muss genau verstanden sein, was die größten Störer sind, welches die empfindlichsten und in welchen Frequenzbereichen sie wie wirken. Dabei ist Störer nicht gleich Störer. Auch können Störer und Mimosen miteinander harmonieren, wenn es keinen gemeinsamen Koppelmechanismus gibt. Hier bedarf es einer genauen analytischen Betrachtung, die gar nicht kompliziert sein muss. Auch in unserer digitalen Zeit reicht dafür oft Papier und Bleistift.

 

Des Weiteren bedarf es einer genauen Planung des Layouts. Bauteilanordnungen, die sich geometrisch nah am Schaltplan orientieren, erweisen sich aus EMV-Sicht sehr oft als nicht optimal. Hinzu kommen Einschränkungen durch mechanische Vorgaben (Bauraum, Bauhöhe, Bestückung, etc). Auch hier ist eine frühzeitige Abstimmung unbedingt zu empfehlen. Mit einer „falschen“ Steckeranordnung kann z.B. der Entstöraufwand und damit wieder Kosten, Gewicht und Bauraum massiv nach oben getrieben werden bis hin zur Unmöglichkeit einer guten EMV-Performance. Gegenüberliegende Steckeranordnungen sind in der Regel besonders kritisch. Kann ein geringfügig längerer Kabelsatz auf einer Seite akzeptiert werden und dadurch beide Stecker auf derselben Seite einer Baugruppe platziert werden, verschwindet manches EMV-Problem von allein.

 

EMV ist immer ein Kompromiss

Eine gute EMV wird immer ein Kompromiss sein. Das Beispiel der Steckeranordnung verdeutlich einmal mehr wie wichtig es ist früh nach diesen Kompromissen zu suchen. Um auch gleichzeitig einen kostenoptimierten Kompromiss zu erreichen, ist es unerlässlich mit der EMV schon in Konzeptphase der Entwicklung zu beginnen und alle Beteiligten wie Software, Mechanik, Fertigung, etc. einzubinden.

 

Hier sei nochmals auf den Störspannungsabstand hingewiesen. Ist dieser zu gering, bringt kein noch so aufwändiges Filter eine Lösung.


 

 

Filtergrundlagen am Beispiel des Kondensators

Immer wieder hört man Aussagen wie ‚Wir müssen die EMV-Störungen (weg)filtern' oder 'abblocken‘.

 

Dies suggeriert man könne EMV-Störungen mit geeigneten Maßnahmen, z.B. Filtern, quasi durch Aufstellen einer Barriere an Ort und Stelle aufhalten oder gar eliminieren. Dieser Gedankengang ist falsch und führt nicht selten zu falschen Schlussfolgerungen.

 

Kondensator als Filter

Ein Filter in seiner einfachsten Form (Kondensator) bietet der Störung einen zusätzlichen Weg an, vorausgesetzt dieser ist niederimpedanter. Ist er dies nicht in ausreichendem Maß kommt dann oft eine zweite Filterstufe (Spule oder Ferrit) zum Einsatz, die die Impedanz im Längspfad (dem ursprünglichen Pfad) erhöht. Eine mögliche dritte Filterstufe bedient wieder den Querpfad, eine vierte den Längspfad usw. Meist wird dadurch auch die Größe der Störschleife reduziert.


Achtung: Es gibt nie nur einen Weg. Die Ströme teilen sich entsprechend den Impedanzen auf. Der „neue“ gewollte Pfad muss also eine deutlich niedere Impedanz haben als der „alte“, wenn er seine Wirkung voll entfalten soll.

 

Kondensator als Quelle

Eine zweite Rolle, die Kondensatoren einnehmen können, ist die einer Quelle. Insbesondere die hohen und damit schnellen Frequenzanteile können von einer Quelle die die unteren, energiereicheren Anteile zur Verfügung stellt nicht gleichzeitig bereitgestellt werden. Elkos wirken bis in den kHz-Bereich, während Keramikkondensatoren (MLCC) bis in den MHz-Bereich reichen.

 

Aber Kondensatoren in Form realer Bauelemente erreichen in der Schaltung nie die Werte, die man den Datenblättern entnehmen kann. Dies liegt nicht etwa an falschen Angaben, sondern an parasitären Effekten wie den Anschlussinduktivitäten und anderen. Jenseits von 100 MHz wirkt annähernd kein realer Kondensator mehr. Hier schlägt die Stunde der gedruckten Kondensatoren im Layout. Diese können bei richtiger Auslegung bis in den GHz-Bereich wirken. Diese sind nicht nur in Multilayer-Platinen darstellbar, aber dort mit höherem Wirkungsgrad umsetzbar.

 

Auswahlkriterien

Häufig wird als entscheidendes Auswahlkrierium der ESR (Equivalent Serial Restistance) genannt. Dies ist nicht falsch, aber alleine nicht hinreichend. Der ESR entspricht in meist guter Näherung der minimalen Impedanz des Kondensators. Hier ist der Schwingkreis aus der Kapazität und der parasitären Induktivität des Kondensators in Resonanz und deren Impedanz geht gegen Null (es bleibt der ESR übrig). Somit gibt diese Frequenz den 1. Anhaltspunkt für den Einsatzbereich des Kondensators.

 

Die Bandbreite des Kondensators ist ein weiteres Auswahlkriterium. Je "flacher" die Impedanzkurve ist, desto besser ist der Kondensator als EMV-Bauteil geeignet. Die Impedanz wird stark von Material und Aufbau beeinflusst.

 

Das Degrationsverhalten über Spannung und Frequenz wird meist nicht betrachtet. Dabei kann ein vermeintlich guter Kondensator (gemäß den ersten beiden Kriterien) hier schnell zu einem schlechten werden. Die Degration beschreibt den Effekt, dass sich die Kapazität eines Kondensators mit steigender Frequenz und steigender Spannung reduziert. Der Nennwert wird immer ohne angelegte Spannung gemessen! Es kann passieren, dass unter Einsatzbedingungen keine 10% des Nennwertes übrig bleiben.  Dieser Effekt steigt mit der Reduzierung der Bauform und abnehmender Nenn-Spannungsfestigkeit.

Somit ist insbesondere bei höheren Betriebsspannungen und starker Minituarisierung Vorsicht geboten.

Eine größere Bauform und höhere Spannungsfestigkeit kann deshalb die günstigere Wahl sein.

 

Einen Kondensator gegen einen billigeren mit der gleichen (Nenn-)Kapazität auszutauschen kam am Ende schon oft teuer zu stehen.


 

 

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? Die Koppelmechanismen beeinflussen die Ausführung der Verkabelung.

Zu glauben im Zweifel helfe Schirmung als letztes Mittel immer, ist leider ein Trugschluss. Dies gilt auch für geschirmte Gehäuse.

 

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 sehr störanfällig. Hier reicht oft eine "langsame" Auswertung.

 

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.


 

 

Komponente - Produkt - System

EMV im System

Komponenten im Systemverbund

Werden (Teil-)Produkt A (EMV-Eigenschaften a) mit (Teil-)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.

 

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