Grundlagen der Störungsanalyse mit uSimmics: Quelle → Übertragungsweg → Opfer

Bei Maßnahmen gegen Störungen greift man schnell zu „erst einmal einen Abblockkondensator einsetzen“ oder „zuerst eine Ferritperle hinzufügen“. In vielen Fällen wirkt das tatsächlich. Wenn man jedoch nur nach Gefühl vorgeht, bleibt unklar, warum eine Maßnahme funktioniert hat – und beim nächsten Projekt lässt sich der Erfolg nicht reproduzieren.

In diesem Artikel stelle ich ein Grundframework zur Störungsanalyse vor. Zusätzlich erkläre ich mithilfe von uSimmics (QucsStudio), wie sich nicht im Schaltplan dargestellte Elemente (parasitäre Effekte) auf die Signalformen auswirken – anhand konkreter Simulationsergebnisse.

Störprobleme lassen sich gut in drei Gruppen einteilen

Wenn man vermutet, dass „Störungen im Spiel sind“, hilft es zunächst, die Symptome in drei Kategorien zu unterteilen.

• Fehlfunktionen: falsche H/L-Erkennung bei digitalen Signalen, unerwartete Resets, Verbindungsabbrüche, falsche Interrupts
• Leistungsverschlechterung: verringerte Empfangsempfindlichkeit, schlechteres SNR, erhöhter Jitter, Störungen bei Bild oder Ton
• Externe Auswirkungen / Normverletzungen: Überschreiten von Grenzwerten durch abgestrahlte oder leitungsgebundene Störungen, Beeinflussung benachbarter Geräte

Diese Einteilung beschreibt die Symptome. Die zugrunde liegende Struktur der Ursachen ist jedoch meist identisch und lässt sich mit dem Modell Quelle → Übertragungsweg → Opfer erklären (z. B. bei abgestrahlter EMI: „Quelle = Schaltvorgänge“, „Weg = Leiterbahnen/Gehäuse“, „Opfer = Geräte in der Umgebung“). Dadurch können sowohl interne Probleme (Fehlfunktionen, Performanceverluste) als auch externe EMI/EMV-Themen mit derselben Denkweise analysiert werden.

Grundframework der Störungsanalyse: Quelle → Übertragungsweg → Opfer

Störungen sind nicht allein deshalb problematisch, weil sie existieren. Erst wenn sie entstehen, sich ausbreiten und schließlich in einen empfindlichen Punkt einkoppeln, führen sie zu konkreten Problemen.

• Quelle (Source): Schaltvorgänge, Taktgeber, DC/DC-Wandler, schnelle I/O-Flanken, Motoren oder Relais
• Übertragungsweg (Path / Coupling): Leiterbahnen, Versorgungsleitungen, GND, Kabel, Raum (kapazitive/induktive Kopplung, Reflexionen, gemeinsame Impedanzen)
• Opfer (Victim): Empfangsschaltungen, Referenzspannungen, ADCs, Clock-Eingänge, Reset-Leitungen, Sensoranschlüsse

Mit diesem Blickwinkel wird klar, an welcher Stelle eine Gegenmaßnahme am effektivsten ansetzt.

Wo ansetzen? – Eine praktische Priorität

Um unnötige Iterationen zu vermeiden, hat sich folgende Reihenfolge bewährt:

• Wenn möglich, die Quelle schwächen: Flanken verlangsamen, Treiberstärke reduzieren, Frequenz verschieben, Spread Spectrum einsetzen (mit möglichen Performance-Einbußen)
• Wenn die Quelle nicht verändert werden kann, den Übertragungsweg kontrollieren: Rückstrompfade (Return Path) verbessern, Schleifenfläche verkleinern, Terminierung, Filter, Abschirmung
• Zuletzt das Opfer robuster machen: damit selbst bei eingekoppeltem Rauschen keine Fehlentscheidung entsteht – mehr Pegelreserve (Margin), Stabilisierung (Hysterese, RC), ggf. Eingangsschutz und Routing-Optimierung, damit es „schwerer eindringt“ und „weniger kritisch“ wird

In der Praxis liegt der größte Hebel auf Leiterplatten oft beim Übertragungsweg. Und genau dort spielen parasitäre Effekte eine große Rolle – Dinge, die im Schaltplan nicht zu sehen sind.

Die „unsichtbaren Täter“: parasitäre Elemente (L / C / R)

Bei Störproblemen sind häufig gerade die Elemente entscheidend, die im Schaltplan fehlen. Besonders diese drei tauchen fast immer auf.

Leiterbahnen wirken als Induktivitäten (L)

Leiterbahnen, Vias und Rückstrompfade besitzen eine parasitäre Induktivität. Ändert sich der Strom schnell (großes di/dt), entsteht an dieser Induktivität ein Spannungsabfall gemäß L × di/dt.

GND ist idealerweise 0 V, besteht in der Realität jedoch aus leitenden Strukturen. Durch diesen Spannungsabfall verschiebt sich das lokale GND-Potenzial. Dieses Phänomen wird als Ground Bounce bezeichnet.

Wenn sich GND bewegt, erscheinen Reset-Pins oder Referenzspannungen relativ gesehen instabil – das kann zu Fehlresets oder Fehlentscheidungen führen.

Benachbarte Leiterbahnen: kapazitive Kopplung (C)

Zwischen benachbarten Leiterbahnen existiert eine kleine Kopplungskapazität. Auch ohne expliziten Kondensator verhalten sich zwei Leiterbahnen so, als wäre ein „kleiner Kondensator“ zwischen ihnen vorhanden.

Ändert sich die Spannung auf einer Leiterbahn schnell (großes dv/dt), fließt über diese Kapazität ein kurzzeitiger Strom. Dieser erzeugt auf der benachbarten Leiterbahn eine kleine Spannungsänderung, die als Spike sichtbar wird.

Dieses „Eindringen“ der Änderung einer Leitung in eine andere nennt man Crosstalk. Je schneller die Flanke, desto leichter entstehen Spikes – und je hochohmiger die Opferleitung, desto stärker fällt es auf.

Warum „Verlust“ (R) wichtig ist

Ideale Induktivitäten und Kapazitäten speichern Energie und geben sie wieder ab – ohne Dämpfung. Wenn Ringing einmal angeregt ist, klingt es ohne Verluste nur langsam ab.

Um Ringing zu stoppen, braucht man oft Verlust. Der Widerstand (R) wandelt Energie in Wärme um und sorgt so für Dämpfung.

Auch die Wirkung von Ferritperlen lässt sich so verstehen: Bei hohen Frequenzen haben sie häufig einen großen Verlustanteil und reduzieren dadurch Schwingungen und Spikes, indem sie Energie „verheizen“.

uSimmics erklärt: GND ist kein ideales 0 V

Jetzt bauen wir in uSimmics ein sehr kleines Modell, um per Wellenform zu bestätigen: „Wenn parasitäre L existiert, kann GND sichtbar wackeln.“ Ziel ist, zu verstehen, wo der Übertragungsweg (Path) entsteht.

Schaltungsbild (Konzept)

• VPulse (0 → 1 V Puls)
• Rload (Lastwiderstand)
• GND
• Zusätzlich: eine kleine L im GND-Rückweg (z. B. 5 nH) – als Modell der parasitären Leiterbahninduktivität

VPulse → Rload → node(out) → Lgnd(5nH) → GND

Messpunkte (Spannungsproben)

• V(out): Ausgangsseite von Rload (der Punkt, den man als „Signal“ sehen möchte)
• V(gnd_local): obere Seite von Lgnd (GND-Knoten auf der Schaltungsseite)

Wenn man die Anstiegszeit von VPulse schneller macht (z. B. TR = 1 ns), erscheint auf V(gnd_local) ein kleiner Puls. Das ist der Effekt „GND wird durch die Induktivität im Rückweg kurzzeitig angehoben“.

Damit sieht man: Nicht nur „das Signal ist dreckig“ kann Probleme verursachen – manchmal bewegt sich die Referenz (GND), und dadurch entstehen Fehlfunktionen oder Performanceverluste.

Die Bedeutung der Standardmaßnahmen ordnen (Abblockkondensator, Ferrit, Massefläche)

Wenn man das bisherige Framework nutzt, wird auch klarer, welches Problem typische Maßnahmen eigentlich adressieren.

• Abblockkondensator hinzufügen: Hochfrequentes Rauschen auf der Versorgung wird direkt in der Nähe „abgeleitet“, damit die Versorgungsspannung am IC nicht schwankt. Entscheidend ist die Platzierung so nah wie möglich am Versorgungspin. Ist der Kondensator zu weit weg, verhindert die parasitäre Leiterbahninduktivität, dass HF-Strom fließen kann – die Wirkung wird deutlich schwächer.
• Ferritperle hinzufügen: Hochfrequente Anteile werden schwerer übertragbar, sodass sich Störungen weniger ausbreiten. Typisch ist die Platzierung an einer Grenze zwischen „schmutziger“ und „sauberer“ Seite (z. B. DC/DC-Bereich ↔ RF/Analog-Bereich), um zu verhindern, dass Störungen in den sauberen Bereich gelangen. Da Ferrite je nach Typ bei unterschiedlichen Frequenzen am besten wirken, ist die Auswahl nach Ziel-Frequenzbereich wichtig.
• Massefläche (GND-Plane): Ziel ist ein guter Rückstrompfad, damit der Rückstrom nicht weite Umwege nehmen muss. Ein naher Rückweg reduziert parasitäre L und verkleinert die Schleifenfläche (Hin- und Rückweg). Dadurch sinken sowohl Abstrahlung als auch ungewollte Einkopplung in andere Schaltungen. Achtung: Wenn GND aufgetrennt wird oder eine Leitung eine Schlitz-/Split-GND-Zone überquert, muss der Rückstrom ausweichen – die Situation kann sich dann sogar verschlechtern. Deshalb lohnt es sich, bewusst zu überlegen, wo der Strom tatsächlich fließt.

Zusammenfassung

Wenn man Störprobleme mit Quelle → Übertragungsweg → Opfer ordnet, reduziert das die Verwirrung deutlich. Gerade auf Leiterplatten erzeugen parasitäre Elemente (L/C/R) Übertragungswege, die im Schaltplan nicht sichtbar sind. Probleme entstehen, wenn Störungen über diese Wege in ein Opfer einkoppeln.

Mit uSimmics hilft schon ein Minimalmodell, das Verhalten über Wellenformen „griffig“ zu verstehen. In den nächsten Artikeln werden wir mit demselben Framework Schritt für Schritt Themen wie Reflexion & Ringing (Terminierung/Übertragungsleitungen), Ferritperlen (warum Verlust wirkt), Crosstalk (Kopplung C/L) sowie Entkopplung & GND (gemeinsame Impedanz) als „Wellenform-Verständnis“ aufbauen.