EMV lässt sich nicht ins Produkt testen!
EMV entwickeln ist in vielerlei Hinsicht eine komplexe Angelegenheit.
Für die Elektromagnetische Verträglichkeit ist nicht NUR die Elektronik-Entwicklung zuständig.
Es gibt kaum eine an der Produkt-Entstehung beteiligte Fraktion, die keine Einflüsse auf die EMV hätte.
Die Einflussparameter enden auch nicht an den Grenzen des Produkts. Die Geräteumgebung bzw. der Einsatzort müssen in die Überlegungen einbezogen werden.
Dipl.-Ing. (FH) Martina Kreutz
Ich bin seit 25 Jahren in der EMV-Entwicklung unterwegs. Dabei habe ich allerlei erlebt. Diese Erfahrung gebe ich heute an meine Kunden weiter.
Neben der Entstörung liegt meine besondere Aufmerksamkeit darin es erst gar nicht so weit kommen zu lassen.
EMV kann sehr zielgerichtet entwickelt werden. Überraschungen kommen immer wieder vor. Sie können jedoch auf ein Minimum reduziert werden.
Konzept- und Vorentwicklungsphase
Wichtiger Schritt: Sich in den frühesten Projektphasen über die Elektromagnetische Verträglichkeit Gedanken machen. Tatsächlich wird dieser Schritt aber meist ausgelassen.
Die Annahme EMV „entwickle“ man am besten, wenn mindestens die Schaltung klar ist oder gar schon eine erste Hardware auf dem Tisch liegt, ist weit verbreitet. Aber diese Annahme ist falsch und bereits der Grund für viele nachgelagerte Probleme.
Wie es besser geht, ohne am Ende mehr Zeit und Ressourcen aufzuwenden, erfahren Sie hier.
Das beschriebene Vorgehen ist Teil der Risiko-Analyse.
Erste Fragestellungen
- Was weiß ich über die spätere Einsatzumgebung?
- An welche Schnittstellen außerhalb meines Produktes muss ich was übergeben oder empfange ich von dort? Ist mein Produkt Teil eines größeren Systems?
- Gibt es Restriktionen bzgl. Bauraum oder sind welche zu erwarten?
- Was soll selbst entwickelt werden – was wird zugekauft?
- Wer wird später Einfluss auf die EMV haben? Intern? Extern?
- Welche einfachen EMV-Tests machen während der Entwicklung Sinn? Hier sind ausdrücklich KEINE normkonformen Messungen gemeint.
- Ist das bisher genutzte EMV-Labor auch für das neue Produkt das geeignete?
Daraus folgende Aktivitäten
- Normenrecherche – Gibt es passende harmonisierte Normen oder benötige ich eine benannte Stelle? Auswahl der heranzuziehenden EMV-Norm. Welche Anforderungen leiten sich daraus ab?
- Informationsbeschaffung – was ist bekannt über die Situation jenseits der Schnittstelle(n)? Was kann ich daraus für meine Schnittstellen ableiten?
Für externe Schnittstellen Ansprechpartner ausfindig machen. - Einschränkungen bei Platzierung von Bauelementen, Steckern, etc.?
- Wie kann die EMV-Qualität der Zukaufteile bewertet werden? Planung / Definition einfacher Tests zur Verifikation
- Definition des EMV-Teams; Abholung aller Beteiligter; Festlegung von Kommunikationswegen und Abstimmungsintervallen, Abstimmung mit Mechanik-Konstruktion, Software und ggf. Fertigung
- Skizzierung / Definition entwicklungsbegleitender Tests
- Was fehlt dem bisherigen Laborpartner? Alternativen?
Wenn eine erste Schaltungsskizze vorliegt
- Signalklassifizierung
- Welches werden die Störer sein? Bewertung des Störpotentials getakteter Signale
- Mit welchen Mimosen ist zu rechnen? Worauf reagieren diese empfindlich?
- Versorgungskonzept skizzieren / definieren
- Strompfad-Analyse
- Wo sind Filter notwendig? Mit welchen Parametern? Hoch- oder niederimpedant an Ein- bzw. Ausgang?
Regelmäßige Iterationen
Anfangs werden die zu gewinnenden Informationen noch eher allgemeiner Natur sein. Deshalb ist es wichtig diesen Analyseprozess stetig zu wiederholen und so die Qualität der Daten kontinuierlich zu verbessern.
Zu Beginn etwas mehr Aufwand. In späteren Entwicklungsphasen macht sich das Vorgehen aber mehrfach bezahlt.
Systemumgebung
Der notwendige Blick über den Tellerrand
Kein Produkt ist frei von Wechselwirkungen mit seiner Umgebung, weder bzgl. Emission noch bzgl. Störfestigkeit.
Welchen Einfluss übt aber nun meine Umgebung auf mein Produkt aus?
Wissen Sie was wo und wo Ihr Produkt abstrahlt? Wie es gestört wird?
Wenn Sie die erste Frage mit nein beantwortet haben, können Sie die nächsten nicht belastbar mit Ja beantworten!
Warum?
Mein Produkt – das unbekannte Wesen
Zur Veranschaulichung nehmen wir ein vereinfachtes Modell, das nur jeweils einen Aus- und Eingang hat. Der stark vereinfachte DC-DC-Konverter steht hier nur beispielhaft für jedwedes andere Produkt.
Was ist an Aus- und Eingang angeschlossen?
Alle nachfolgenden Überlegungen beruhen nur auf dem Ohm’schen Gesetz!
Keine komplizierten Herleitungen und Formeln.
Situation am Eingang …
Welche Impedanz sehe ich am Eingang? Welche Stromanteile über der Frequenz?
Meine Schutzbeschaltung bildet mit der außen anliegenden Impedanz einen Impedanzteiler (bei DC würden wir von Widerstandsteiler sprechen). Die Ströme werden sich abhängig von der Frequenz ganz unterschiedlich verhalten.
… und am Ausgang
Wie ist der Abschluss am Ausgang?
Hochohmig oder niederohmig?
Wenn hochohmig, dann könnten wir spannungsgetriebene Probleme bekommen (E-Feld).
Bei niederohmigem Abschluss eher stromgetriebene (H-Feld).
Die tatsächliche Situation zu kennen – zumindest deren Tendenz – ist also von Vorteil.
Aber wie verhält es sich über der Frequenz?
Das Gegenüber hat vermutlich auch Schutzelemente verbaut – Beispiel Kondensator.
Die eigentlich hochohmige Last wird bezogen auf die EMV niederohmig.
Sie haben also eine frequenzabhängige Situation.
Sie sollten also ungefähr wissen was Sie außerhalb Ihres Produktes erwartet, um ihre eigenen Schutzmaßnahmen richtig auslegen zu können.
So wie hier am Beispiel Emission erläutert, können Sie sich auch die Situation für die Störfestigkeit herleiten.
Wie komme ich an die Infos?
Es gibt verschiedene Quellen, die zur Informationsbeschaffung herangezogen werden können.
- Aus der Funktion lässt sich schon einiges zum Gegenüber ableiten.
- Ihr Gegenüber ist Ihr Systemkunde und Sie Zulieferer? Schauen Sie mal ins Lastenheft?
- Sprechen Sie Ihr gegenüber an. Er hat dasselbe Problem in umgekehrter Richtung!
- …
Bauteilauswahl
Der Auswahl der richtigen Bauelemente kommt eine viel größere Bedeutung zu als viele glauben.
Damit ist nicht nur die Frage gemeint welche Filterelemente wo eingesetzt werden.
2 Kondensatoren mit gleicher Kapazität und Bauart können aus EMV-Sicht sehr unterschiedlich sein.
Ähnlich verhält es sich mit Spulen, Trafos und EMV-Filter
Was kann man aus Datenblättern herauslesen? Worauf ist dabei zu achten?
Wie verhält es sich mit Application Boards?
Spulen, Trafos und andere Induktivitäten
Im Prinzip gelten für Induktivitäten (Spulen, Drosseln, Trafos, etc.) die gleichen Dinge wie zuvor für Kondensatoren beschrieben. Dies gilt insbesondere für den Einsatz von Spulen als Filter.
Mit dem Unterschied dass induktive Bauelemente meist sehr viel komplexer sind als Kondensatoren.
Spule als Energiespeicher
Spulen sind wie Kondensatoren Energiespeicher. Dies wird in vielfältiger Art genutzt. Eine weit verbreitete Anwendung, die gleichzeitig sehr EMV-anfällig ist, ist der Einsatz in Schaltwandlern. An diesen soll nachfolgend die Problematik erläutert werden.
Oft wird bei der Entstörung von Schaltwandlern mit Schnüffelsonden gearbeitet. Auch ich mache dies. Ein häufig gemachter Fehler ist, dass hohe Feldstärken an der Speicherspule(*) zu dem Schluss führen, die Spule wäre Ursache des Problems. Dies ist meist nicht der Fall. Die Ursache liegt oft wo anders. In erster Linie ist hier das Leiterplattendesign zu nennen. Die Wirkung zeigt sich nur an der Spule.
Dennoch gibt es viele Eigenschaften die direkten Einfluss auf die Spule haben. Hierzu gehören geometrische, fertigungstechnische und Materialeigenschaften. Diese alle zu beschreiben würde hier den Rahmen sprengen. Sehr pauschal gesagt sind Spulen mit geschlossenem Magnetkreis besser als solche mit offenem. Geschirmte besser als ungeschirmte. Aber es sei nochmal betont. Die Ursache von möglichen EMV-Fehlern liegt oft wo anders. Fehler im Layout bekommen Sie auch mit besseren (und teureren) Spulen nicht gelöst.
Wer hier tiefer einsteigen möchte dem sei das Buch ‚Trilogie der induktiven Bauelemente‘ von Würth-Elektronik empfohlen.
(Unterstützen sie bitte Ihren örtlichen Buchhandel und beziehen sie es dort. Danke)
(*) Korrekt wäre hier das Bauteil nicht Spule sondern Drossel zu nennen. Der Verständlichkeit wegen habe ich den physikalisch nicht ganz korrekten Begriff Spule verwendet.
Datenblätter und Application Boards
Datenblattangaben und reales Verhalten
Alle Angaben, die Sie in einem Datenblatt finden beziehen sich i.d.R. auf eine 50-Ω-Messumgebung.
im realen Einsatz findet sich aber selten eine solche 50-Ω-Situation. Das hat zur Folge, dass die (Filter-)Wirkung eine andere sein wird als die im Datenblatt beschriebene. Dabei ist es egal ob die reale Situation hoch- oder niederimpedanter ist.
Dies ist keine gezielte Irreführung seitens der Filterhersteller. Auf allgemeingültige und damit vergleichbare Qualifierungsmethode muss man sich einigen. Da ist eine 50-Ω-Umgebung der übliche und sinnvolle gemeinsame Nenner.
Wichtig ist Sie sich dessen bewusst sind. Man muss abschätzen können in welche Richtung und wie hoch die Abweichungen gegenüber dem Datenblatt ausfallen werden. Besser ist es natürlich, wenn ich es berechnen oder simulieren kann.
Layouthinweise
In Datenblättern von ICs (aber auch anderswo) finden sich häufig konkrete Layoutvorschläge.
In Kundenprojekten finde ich diese Vorschläge oft 1:1 im Layout des Kundengeräts.
Es ist jedoch keinesfalls garantiert, dass der Verfasser des Datenblattes auch ein EMV-Fachmann war. Und selbst wenn ein EMV-Experte beteiligt war, so kann dieser nicht Ihre Schaltung kennen. Somit können diese Angaben nie allgemeingültig sein. Sie müssen an die eigene Situation adaptiert werden.
Die Qualität der EMV-Angaben in Datenblättern schwankt sehr stark. Neben sehr guten Angaben habe ich schon viel Nonsens gesehen.
Hinterfragen Sie die Datenblattangaben deshalb immer. Oder fragen Sie jemanden, der dies einschätzen kann.
Einmal ins Produkt integriert kommt eine nachträgliche Verbesserung immer teurer.
Application Boards
Application Boards geben immer eine sehr eingeschränkte Sicht auch die Wirklichkeit.
Diese haben den Sinn verschiedene Funktionen testen zu können. Die Zielsetzung ist eine andere als später in Ihrem Produkt.
Vermeiden Sie es bitte Schaltungen oder Layoutanordnungen solcher Boards in Ihr Produkt zu übernehmen. Es wird schief gehen!
EMV-gerechtes Elektronik-Design
Beim EMV-gerechten Elektronik-Design gibt es viel mehr zu beachten als einige Filterbauelemente einzuplanen.
Einiges muss bereits in der Konzeptphase bedacht werden.
Und auch hier ist es notwendig sich mit anderen Fraktionen abzustimmen.
Schaltplan erstellen ist mehr als nur einen Stromlaufplan zeichnen.
Der Masse kann gar nicht genug Aufmerksamkeit gewidmet werden. Sie muss viele Aufgaben übernehmen, die sich scheinbar widersprechen und bei falscher Auslegung erhebliche EMV-Probleme hervorrufen.
Zur Masse gehört das Versorgungssystem wie die sprichwörtliche zweite Seite zur Medaille.
Layout – wie können Sie die vielfältigen Potenziale nutzen?
Das Paradoxon der Masse
Die höchsten Türme beginnen beim Fundament
Thomas Alva Edison
Fundament legen
Die Masse stellt quasi das Fundament jeder EMV dar und ist deshalb elementar für jedes gute Leiterplattendesign. Gleiches gilt auch auf Geräte- oder Anlagen-Ebene.
Dabei muss sie 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 jetzt erst 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 mehr Probleme mit sich, als sie löst. Die strikte Trennung auf Versorgungs- und Signalseite lässt sich fast nie durchhalten. Am Ende werden induktive und galvanische Verkopplungen stark erhöht. Dies bedeutet zusätzlichen Entstöraufwand. Kosten und Bauraumbedarf steigen unnötig!
Massetrennung nur im absoluten Ausnahmefall!
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 Teile sind 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.
Layout planen
Es bedarf einer genauen Planung des Layouts. Bauteilanordnungen, die sich geometrisch nah am Schaltplan orientieren, sind aus EMV-Sicht nicht optimal.
Hinzu kommen Einschränkungen durch mechanische Vorgaben (Bauraum, Bauhöhe, Bestückung, etc). Auch hier ist eine frühzeitige Abstimmung notwendig.
Mit einer „falschen“ Steckeranordnung kann der Entstöraufwand und damit wieder Kosten, Gewicht und Bauraum massiv nach oben getrieben werden. Dies geht bis zur Unmöglichkeit einer guten EMV-Performance. Gegenüberliegende Steckeranordnungen sind 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.
Elektromagnetische Verträglichkeit 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.
Für ein gues EMV-Design braucht es viele Beteiligte. Ein Schaltungsentwickler kann die Aufgabe nicht alleine stemmen.
Hier sei nochmals auf den Störspannungsabstand hingewiesen. Ist dieser zu gering, bringt kein noch so aufwändiges Filter eine Lösung.
EMV-gerechtes Schaltungsdesign
EMV-gerechtes Layout
EMV auf der Leiterplatte – der Entwicklungsschritt mit dem höchsten EMV-Potenzial
Das Versorgungskonzept (incl. Masse + Ground als Bestandteile davon) bildet das Grundgerüst jeder guten Schaltungsumsetzung.
Hochfrequente Emissionen sind mehrheitlich auf Oberwellen von Schaltvorgängen zurückzuführen. Sie stellen hochfrequente Mikroeinbrüche von Versorgungssystemen dar. D.h. je „härter“ ein Versorgungssystem ausgelegt ist, umso niedriger fallen Emissionsprobleme aus.
Auf der andren Seite erhöht ein EMV-stabiles Versorgungssystem die Störfestigkeit. Nicht zuletzt sorgt dies auch für eine höhere Signalintegrität.
EMV-gerechtes Massekonzept
Einer der größten Vorteile von Leiterplatten mit mindestens 4 Lagen ist die Möglichkeit – aus EMV-Sicht Pflicht (!) – eine durchgängige Masselage einzuführen. Hier wird aber zugleich oft ein Großteil des Potenzials auch gleich wieder verschenkt. Man glaubt Platz auf der Masselage für das Routing anderer Signale zu benötigen.
Masselage ist Pflicht
Eine Lage wird als durchgängige Masselage ausgeführt. Keine Schlitze, keine anderen Signale, keine enge Aneinanderreihung vieler Vias (diese wirken wie Schlitze).
Im Bereich von Filterstrukturen kann es kleinteilige spezielle Ausnahmen geben, die in jedem Einzelfall genau bewertet werden müssen.
Abgesehen von diesem speziellen Fall gilt: Masselage durchgängig, ohne Wenn und Aber!
Nur auf den ersten Blick ein Nachteil – die Vorteile überwiegen bei weitem.
Wer glaubt sich dies nicht leisten zu können, zahlt immer an anderer Stelle deutlich drauf.
Kein Platz für eine Masselage?
Das Totschlagargument ‚wir haben dafür keinen Platz‘, ist keines. Ohne Masselage brauchen Sie am Ende mehr Platz und Budget, weil Sie die Vorteile der Masselage aufwändig anders darstellen müssen. Wobei dies meist gar nicht möglich ist.
Oft wird versucht EMV-Störungen vorzubeugen, 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 damit gleichzeitig Verkopplungen verhindert werden sollen.
Die Grundidee ist richtig – die Umsetzung falsch!
Die Masse ist kein Mülleimer!
Einfach alle Signale auf die Masselage zu beziehen ist zu einfach gedacht.
Die Masse muss 2 sich wiedersprechende Aufgaben übernehmen. siehe ‚Das Paradoxon der Masse‘
- Sie soll für alle Baugruppen ein einheitliches ruhiges Bezugspotential zur Verfügung stellen.
- Alle Störungen sollen möglichst schnell über sie abgeleitet werden.
Zwei sich im ersten Moment widersprechende Eigenschaften – hier schlägt die Stunde eines guten Zonenkonzepts.
Masse aufteilen? Keine gute Idee!
Eine Masse für Endstufen, eine für den Rechnerkern, eine für analoge Teile, etc. Verabschieden Sie Sich bitte sofort von dieser Überlegung. Sie wird der EMV das Genick brechen!
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!
Chancen der Masselage nutzen
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.
Masseschleifen sind nicht per se schlecht
Kaum etwas wird so verteufelt wie Masseschleifen. Dabei können sie in bestimmten Fällen nützlich sein.
Zu unterscheiden ist, ob sie entkoppelnder (gut) oder verkoppelnder (schlecht) Natur sind. Die Mehrzahl ist von der schlechten Sorte.
Eine erste Analyse erfolgt in der Konzeptphase z.B. anhand eines Blockschaltbildes. Hier lässt sich einfach erkennen, wo entkoppelnde Strukturen genutzt werden können.
Die Realisierung ist aber sehr stark von der konkreten Umsetzung im Layout anhängig und muss immer wieder überprüft werden. Kleine Änderungen können die Wirkung ins Gegenteil verkehren.
Analogmasse – die goldene Ausnahme
Analogmassesignale stellen die einzige Ausnahme von den zuvor beschriebenen Regeln dar. Diese sind wie die Analog-Signale selbst zu behandeln.
Aufgrund der oben beschriebenen 2 widersprüchlichen Aufgaben der Masse ist diese nie ausreichend ruhig, um als Bezugspunkt für Analogsignale dienen zu können.
Die Analogmasse ist streng parallel zum zugehörigen Signal zu führen. Die einzige – funktional notwendige – Verbindung zur Masseebene erfolgt unmittelbar an der Auswerteeinheit, z.B. dem Analogwandler des Prozessors.
Stabile Versorgung
Basis jeder guten EMV ist ein gutes Versorgungssystem. Im Allgemeinen wird die Versorgungsspannung mittels Stützkondensatoren, meist Keramikkondensatoren „beruhigt“.
Dies hat jedoch gegen höhere Frequenzen Grenzen. Jenseits von 100 MHz wird es zunehmend schwer mit realen Kondensatoren die notwendige Stützwirkung zu erreichen.
Gedruckte Bauelemente
Hier schlägt die Stunde der im Layout realisierten Flächenkondensatoren. Im Gegensatz zur Masse werden diese nicht über ganze Layer ausgeführt. Zum einen würde dies den Platzbedarf im Layout sprengen, zum anderen werden solch raumgreifende Strukturen auch sehr schnell kontraproduktiv.
Mit den Flächenkondensatoren kommen wir nun in einen Bereich, in dem viele Faktoren berücksichtigt werden müssen. Da diese sehr produktspezifisch sind, würde es den Rahmen dieser Bibliothek sprengen, sie alle zu erklären.
Zonenkonzept
Beim Zonenkonzept geht es in erster Linie darum störende und empfindliche Baugruppen zu trennen. Das ist einfacher gesagt als gemacht.
Im Vorteil ist, wer zu Projektbeginn eine EMV-Risiko-Analyse durchgeführt hat. Deren Ergebnisse fließen hier ein.
Es wird i.d.R. mehr als 2 Zonen brauchen. Überlegen Sie sich in welcher Beziehung diese zueinander stehen und nehmen Sie eine Gewichtung vor.
Achten Sie darauf, wie Sie die Verbindungen zwischen unterschiedlichen Bereichen gestalten. Falsch gemacht können hier schnell störende Schleifen aufgespannt werden.
Stecker
Hat Ihre Baugruppe mehr als einen Stecker so wird die Anordnung der Stecker zueinander zu einem entscheidenden Faktor für den Erfolg. I.d.R. sollten Sie einander gegenüber liegende Stecker vermeiden. Dies würde zwangsläufig zu ungewünschten Verkopplungen führen.
Ein gutes Zonenkonzept verhindert viele EMV-Probleme und macht dadurch den Einsatz manches Filters überflüssig.
Am Beispiel der Stecker sehen Sie, dass Sie sich wieder einmal früh mit Kollegen anderer Fraktionen austauschen müssen.
Königsklasse: 2 Lagen
2-lagige Layouts sind aus EMV-Sicht die Königsklasse. Mit ihnen ist es sehr viel schwieriger ein bestimmtes EMV-Ziel zu erreichen als mit Multilayern. Das hierfür gerne angebrachte Kostenargument ist bei ehrlicher Rechnung oft nicht zu halten. Grund sind zusätzliche Entstörmaßnahmen, die bei 4 oder mehr Lagen und gut gemachten Layouts entfallen können.
Leiterplattenaufbau
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Erst Mechanik, Software und Co machen eine gute EMV-Entwicklung komplett
EMV betrifft nicht nur Elektronik-Entwickler
Allzu oft bekomme ich auf die Frage nach den EMV-Verantwortlichen (Plural!) von Kunden zur Antwort, dies sei Herr Müller (Maier oder Schulze) aus der Schaltungsentwicklung (oder Elektrokonstruktion, je nach Branche).
Diese Antwort offenbart ein großes Missverständnis. Damit sind zum einen EMV-Probleme vorprogrammiert und anderseits wird ein enormes Potential zur Kostenreduktion und weniger EMV-Ärger nicht genutzt.
Mehr Einfluss als allgemein angenommen
Die Bereiche jenseits der klassischen Schaltungsentwicklung haben mehr Einfluss als die meisten denken.
Worauf kommt es bei der Mechanikentwicklung an?
Was ist bei der Schirmung zu beachten?
Teure (weil emv-schädliche) oder kostenfreie, emv-dienliche Beiträge der Software – Sie haben die Wahl.
Nutzen Sie die Chancen die hier „verborgen“ liegen.
Mechanik
Die Mechanik (Gehäuse, Kühlkörper, Stecker, Kabel, etc.) beeinflusst die EMV sehr viel stärker als den meisten bewusst ist.
Im Verhältnis zur Schaltungsentwicklung sind spätere Änderung meist viel aufwändiger und teurer – oft genug wie „in Beton gegossen“. Deshalb ist es wichtig die Einflüsse zu kennen und frühzeitig die richtigen Entscheidungen zu treffen.
Zwei sich im Gehäuse gegenüberliegende Stecker reduzieren z.B. die EMV-Performance zumeist rapide. Zusätzliche Antennen werden aufgespannt und eine saubere Trennung von störenden und empfindlichen Teilen wird massiv erschwert.
Gehäuse
Mit der Gehäusegeometrie wird u.a. definiert wieviel Bauraum wo verbleibt. Geschieht dies ohne Berücksichtigung der EMV, so können andere Teile (Leiterplatte. Kabelbaum, etc.) u.U. nicht optimal ausgelegt werden.
Beispiel: Höhere Bauteile werden wegen Platzmangel auf der Leiterplatte an einer Stelle platziert, die die richtige Schaltungsgruppierung (Zonenkonzept) erschwert und meist 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. Zusätzliche Antennen werden aufgespannt und eine saubere Trennung von störenden und empfindlichen Teilen wird massiv erschwert.
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. Was im Design versäumt wurde, rettet ein Schirm selten. Und wenn, dann mit unnötig hohen Kosten.
Kühlkörper
Die Erfahrung zeigt, dass Kühlkörper oft abstrahlende Strukturen bilden. Das ist nicht überraschend. Gleichzeitig ist es nicht trivial dies zu unterbinden. Eine emv-gerechte Anbindung bedarf einiger Überlegungen.
Auf der einen Seite müssen Sicherheits-Anforderungen genauso erfüllt werden wie natürlich die thermische Anbindung. Auf der anderen Seite ist eine galvanische Isolierung jedoch meist kontraproduktiv, da Kühlkörper aufgrund ihrer Geometrie eine ausgezeichnet kapazitive Koppelstruktur darstellen. Hier ist in jedem Einzelfall abzuwägen, was gemacht werden kann, was nicht und was zielführend ist.
Schirmung richtig einsetzen
Oft höre ich Sätze wie „und wenn wir am Ende immer noch EMV-Probleme haben, dann schirmen wir eben …“.
Ganz häufig steht am vermeintlichen Ende solcher Projekte nicht die Lösung mittels Schirmung, sondern ein böses Erwachen.
Deshalb hier ein paar Erklärungen und Hintergründe
Vorab sei schon mal erwähnt:
- Schirmung funktioniert physikalisch bedingt nicht immer
- Schirmprinzipien gegenüber E-Feld oder H-Feld unterscheiden sich gravierend
- Jede Schirmung ist nur so gut wie Ihr schwächstes Glied
- Schirmung ist im Verhältnis zu Maßnahmen in frühen Entwicklungsphasen teuer
- Es gibt bestimmte Filter-Schirmkombinationen die sich ausschließen
Die Wirksamkeit von Schirmung wird pauschal meist überschätzt.
Ein paar Grundlagen
Schirmung beruht auf 2 physikalische Effekten:
- Reflexion
- Absorption
Reflektion
Aus der Leitungstheorie wissen wir, dass es dann zu keinen Reflektionen kommt, wenn Anpassung herrscht. Da wir bei der Schirmung eine hohe Reflexion haben wollen, heißt das wir müssen uns möglichst weit von der Anpassung wegbewegen.
Aber wo müssen wir die Fehlanpassung generieren?
Hohe Reflexion bekommen wir, wenn die Impedanz des Schirmmaterials sich stark vom Feldwellenwiderstand des Felds unterscheidet. Im Fernfeld beträgt der Feldwellenwiderstand Z0 (Impedanz des freien Raumes) 377 Ω.
Erste Bedingung:
ZM: Impedanz des Schirmmaterials
Z0: Impedanz des freien Feldes (Fernfeldbedingung)
Faustregel:
Bewegen wir uns aber im Nahfeld ist der Feldwellenwiderstand keine Konstante mehr und E-Feld und H-Feld haben bei gleichem Abstand (teils gravierend) unterschiedliche Werte.
Allgemein gilt:
r: Reflektionsgrad
ZM: Impedanz des Schirmmaterials
ZW: abstandsabhängige Impedanz des Feldes
Hohe Reflexion erhalten wir, wenn
Unterschiede E-Feld und H-Feld im Nahfeld
Wann sprechen wir vom Nahfeld?
l: Abstand zur Feldquelle
λ: Wellenlänge
Je näher die Feldquelle an der Schirmebene liegt desto geringer wird der Feldwellenwiderstand des H-Feldes. D.h. umso schwieriger wird es magnetische Felder abzuschirmen.
Bei einem Abstand, der dem Hundertstel der Wellenlänge entspricht, geht die Reflexion gegen Null, wenn die Schirmungsimpedanz bei dieser Wellenlänge 4 Ω entspricht.
Zahlenbeispiele:
(Lese-Hinweis: bei Frequenz x besteht bei kleinerem Abstand als y zur Störquelle quasi keine magnetische Reflektion)
100 MHz: 3 mm
1 MHz: 30 cm
100 kHz: 3 m
10 kHz: 30 m
D.h. je niedriger die Frequenz desto schwieriger wird es magnetische Felder abzuschirmen.
Einen Schaltregler mit einem Kupfer- oder Aluminium-Schirm bzgl. seiner Emissionen begrenzen zu wollen, ist für Frequenzen im niedrigen bis mittleren MHz-Bereich oder gar im kHz-Bereich und anwendungstypischen Abständen NICHT möglich.
Es reicht nicht aus die Impedanz des Schirmmaterials ein wenig kleiner als den abstandsabhängigen Feldwellenwiderstand zu machen. Er muss deutlich niedriger sein – mindestens eine Zehnerpotenz.
Absorption
Kommt man an die physikalischen Grenzen der Reflexion so bleibt nur noch die Möglichkeit die absorbierendes Schirmmaterial zu verwenden.
Diese Eigenschaft wird mit der Größe der relativen Permeabilität µr beschrieben. Der Wert muss mindestens 3-stellig sein, besser deutlich größer.
Einige Beispiele für die relative Permeabilität (nur die Grünen haben absorbierende Eigenschaften)
Eindringtiefe
Für eine analytisch genaue Betrachtung wäre die Berücksichtigung der Eindringtiefe notwendig. Sie besagt, dass bei einer Materialstärke entsprechend der Eindringtiefe das Feld um 1/e reduziert wird.
Für den normalen Anwender reicht es aus zu wissen, dass ein Schirm nicht beliebig dünn sein darf. Meist sind diese durch mechanische Erfordernisse ausreichend dick.
Relevant wird es allerdings, wenn wir über Schirmbedampfungen sprechen. Diese sind meist sehr aufwändig in der Herstellung und damit teuer oder NICHT dauerhaltbar über Produktlebenszeit.
Tiefer gehende Erklärungen und Berechnungshinweise erspare ich Ihnen hier.
Anbindung von Kabelschirmen
Das schwächste Glied der Schirmung bestimmt den Wirkungsgrad des gesamten Schirmsystems.
Das schwächste Glied ist oft die Anbindung von Kabelschirmen an ein metallisches Gehäuse. Auch hier gilt, dass die Impedanz keiner 0,1 Ohm sein sollte. Sogenannte pigtails erfüllen diese Anforderung nicht. Hiermit ist gemeint den Schirm mittels eines Drahtes ans Gehäuse anzuschließen.
Eine breite möglichst umlaufende Anbindung ist anzustreben.
Auch eine einseitige Anbindung des Schirms ist zu vermeiden. Das oft genannte „Gegenargument“, dass es bei beidseitig aufgelegtem Schirm zu unzulässigen Ausgleichsströmen käme, ist mehr ein Indiz für ein unzureichendes Massekonzept. Hier liegt der Fehler wo anders.
Unzureichend angebundene Kabelschirme verkehren den Schutz schnell ins Gegenteil und werden selbst zur Antenne.
Vorsicht bei langen Leitungen
Im Maschinen- und Anlagenbau sind oft viele Meter lange geschirmte Leitungen anzutreffen. Diese vertragen sich nicht mit bestimmten Filtertypen.
Hier ist es besser etwas mehr in gute Sinus-Filter zu investieren und dann auf die Schirmung zu verzichten.
Software
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 keine Stückkosten verursachen. Werden die Software-Kollegen frühzeitig eingebunden, so entstehen die Lösungen quasi nebenbei und können manche Hardware-Maßnahme überflüssig machen.
Abtastraten
Die Festlegung der Abtastraten für die Auswertung von (Mess-)Signalen folgt oft der Überlegung die maximale Auflösung bzw. eine hohe bis sehr hohe Geschwindigkeit zu erreichen. Dies wird mit einer hohen Qualität der Auswertung gleichgesetzt.
Das bedeutet aber auch, dass ich jedes noch so kleine Störsignal detektiere. Die Folge ist eine hohe Empfindlichkeit gegen EMV-Störungen.
Deshalb ist stets abzuwägen wie schnell bzw. hochauflösend muss es denn wirklich sein. Oft reicht für eine stabile Funktion auch weniger.
Beispiel: Es macht selten Sinn eine Temperatur wiederholend in wenigen Sekunden oder gar Sekundenbruchteilen abzufragen.
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 sie funktional relevant wird, kann ich schnelle Störungen über Zeitglieder elegant herausfiltern.
Für die Funktion ist die Überwachungen auf logische Zustände Standard. Mit Blick auf die EMV sind solche Filter eher selten anzutreffen. Hier wird manches Potential verschenkt.
Ich habe die Erfahrung gemacht, dass Software-Kollegen 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 langsam wie möglich, nur so schnell wie nötig“.
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Risiko-Minimierung zu Projektbeginn
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