EMV-gerechtes Elektronik-Design

Warum braucht es zwingend eine oder mehrere Masselagen?

Die Masse ist das Bezugspotential der meisten Signale und Versorgungsspannungen. Das heißt, auf der Masse fließt der Strom zurück zur Quelle. Ströme fließen immer in geschlossenen Kreisen.

Deshalb benutze ich statt Masseebene auch lieber den Begriff Rückflussebene.

Die für die EMV entscheidende Frage ist:

Wo fließt die Energie?

Und hier führt das Strommodell in die Irre. Die Energie fließt im Dielektrikum.
Das heißt zwischen Hin- und Rückleiter.

Und hier liegt die Ursache der meisten EMV-Probleme. Die Leiterbahnen, Kabel (oder sonstige Leiter) von Hin- und Rückleiter laufen weder parallel noch eng beieinander.

Das funktioniert nur mit einer Rückflussebene. Es braucht darüber hinaus noch ein paar weitere Dinge. Aber ohne Rückflussebene gibt es kein gutes EMV-Design.

Und eine Rückflussebene gibt es nicht nur auf Leiterplatten, sondern bspw. in Schaltschränken. Richtig gemacht ist es dort das Gehäuse.

Die Masse ist kein Mülleimer!

Es ist zu einfach gedacht, alle Signale auf die Masse zu beziehen. Die Masse hat zwei widersprüchliche Aufgaben zu erfüllen

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

Zwei auf den ersten Blick widersprüchliche Eigenschaften – hier schlägt die Stunde eines guten Zonenkonzeptes.

Masse aufteilen? Keine gute Idee!

Eine Masse für die Endstufen, eine für den Rechnerkern, eine für analoge Teile, etc.

Verabschieden Sie sich sofort von dieser Überlegung. Sie bricht der EMV das Genick!

Was passiert?

Die verschiedenen Massepotenziale werden nur an wenigen Stellen verbunden. Die verschiedenen Schaltungsteile müssen aber miteinander kommunizieren. In Folge werden Signalleitungen über Masseschlitze geroutet. Die Rückströme müssen Umwege nehmen (Schleifen entstehen) und/oder werden durch unnötige Engstellen gezwängt (erhöhte galvanische Kopplung).

Deshalb: Niemals Signalleitungen über Massespalten routen. Es bewirkt das Gegenteil von dem, was beabsichtigt war.

Die Erfahrung zeigt: Fast immer verschlechtert eine Auftrennung der Masse die EMV-Situation!

Chancen der Masselage nutzen

Bei keinem Projekt, bei dem ich eine durchgehende Masselage vorgeschlagen habe, musste deswegen die Anzahl der Lagen erhöht werden!
Es sei denn, wir sind von 2 Lagen ausgegangen. Dazu später mehr.

Im Hinblick auf ständig steigende Frequenzen und gleichzeitig immer höhere geschaltete Leistungen ist es notwendig, die Masse und mit ihr das gesamte Versorgungskonzept differenzierter zu betrachten.

In wenigen speziellen Einzelfällen kann es dennoch sinnvoll sein, eine Massetrennung vorzunehmen. Dies ist jedoch nur etwas für EMV-Profis.

Masseschleifen sind nicht per se schlecht

Kaum etwas wird so verteufelt wie Masseschleifen. Dabei können sie nützlich sein. Zu unterscheiden ist, ob sie entkoppelnder (gut) oder verkoppelnder (schlecht) Natur sind.

Eine erste Analyse erfolgt in der Konzeptphase, z.B. anhand eines Blockschaltbildes. Hier lässt sich erkennen, wo entkoppelnde Strukturen eingesetzt werden können. Die Realisierung hängt jedoch stark von der konkreten Umsetzung im Layout ab und muss immer wieder überprüft werden. Kleine Änderungen können die Wirkung ins Gegenteil verkehren.