„Warum strahlt eine Platine Störungen ab?“
Untersucht man eine Schaltung, die einen EMV-Test nicht bestanden hat, führen die meisten Probleme auf „eine Schleife bildende Verdrahtung“ zurück. In diesem Artikel erklären wir, wie eine elektrische Schaltung als Antenne wirkt und warum die Schleifenfläche direkt mit der Störabstrahlung zusammenhängt.
Antennen-Grundlagen — Zwei Antennentypen
Es gibt grob zwei Antennentypen.
Stabantenne (lineare Antenne): ein gerader Leiter. Ihre Abstrahlstärke ist proportional zu „Antennenlänge × Strom“. Im Nahfeld dominiert das elektrische Feld.
Rahmenantenne (Schleifenantenne): ein schleifenförmiger Leiter. Ihre Abstrahlstärke ist proportional zu „Schleifenfläche × Strom“. Im Nahfeld dominiert das magnetische Feld.
Und die Verdrahtung auf einer Platine wirkt ungewollt als beide dieser Antennen.
Die „verborgene Schleife“ der Signalverdrahtung
Das ist der wichtigste Punkt.
Eine Signalleiterbahn auf einer Platine sieht auf den ersten Blick wie eine „kurze gerade Linie“ aus. Doch das Signal bildet immer eine Schleife aus Hin- und Rückweg. Der Rückweg ist die gemeinsame GND-Leitung. Die Signalleiterbahn plus die GND-Leitung bilden eine Schleife, und diese Schleifenfläche bestimmt die Abstrahlstärke.
Als Formel geordnet, ist die Abstrahlstärke einer Rahmenantenne:
Abgestrahlte E-Feldstärke ∝ Schleifenfläche (S) × Strom (I) × Frequenz² (f²)Mit anderen Worten: Je größer die Schleife, je höher der Strom und je höher die Frequenz, desto stärker nimmt die Störabstrahlung zu. Dass EMV-Probleme mit steigender Taktfrequenz einer Digitalschaltung gravierender werden, liegt daran, dass die Abstrahlung mit dem Quadrat der Frequenz wächst.
Die Schleifenfläche zu minimieren ist die Grundmaßnahme
Der direkteste Weg, die Abstrahlung zu unterdrücken, ist, die Schleifenfläche klein zu machen.
Maßnahme 1: Signalleiterbahn und GND näher bringen
Ordnet man direkt unter der Signalleiterbahn eine GND-Fläche an, fließt der GND-Strom direkt unter der Bahn, und die Schleifenfläche wird minimal. Das ist einer der Hauptgründe, in einer mehrlagigen Platine eine GND-Fläche vorzusehen.
Maßnahme 2: Mit Blick auf den Rückweg verdrahten
Auf einer zweilagigen Platine ohne GND-Fläche ist es wichtig, sich bewusst zu sein, wo der GND-Strom fließt. Eine GND-Leitung neben der Signalleiterbahn parallel zu führen, verkleinert die Schleife.
Maßnahme 3: Die Schleife mit einem Abblockkondensator lokalisieren
Abrupte Änderungen des Versorgungsstroms eines ICs sind eine Hauptursache der Schleifenabstrahlung. Indem man einen Abblockkondensator direkt neben den IC setzt, lässt sich die Schleife, durch die der große Strom fließt, auf einen kleinen Bereich um den IC lokalisieren.
Stabantennen-Effekt — Abstrahlung von externen Kabeln
Wenn der Rahmenantennen-Effekt ein Problem innerhalb der Platine ist, ist der Stabantennen-Effekt vor allem ein Problem der externen Kabel.
Ein Kabel, das aus einem elektronischen Gerät herausführt, ist ein langer, gerader Leiter. Der Signalstrom im Kabel (Gegentakt/Normalmodus) hebt sich auf Hin- und Rückweg auf und strahlt daher nicht ab. Doch der Gleichtaktstrom fließt in dieselbe Richtung, sodass keine Aufhebung erfolgt, und er strahlt als lange Stabantenne kräftig Störungen ab.
Schaltnetzteile sind eine typische Quelle von Gleichtaktstörungen. Wenn Gleichtaktstörungen aus dem Inneren der Platine auf ein externes Kabel gelangen, wird dieses Kabel zu einer riesigen Antenne. Umgekehrt nimmt es über das Kabel auch starke externe Störungen im Gleichtakt auf.
Hier liegt der Grund, einen Gleichtaktfilter (CMC) am Kabelausgang zu platzieren. Indem man die Gleichtaktkomponente abschneidet, bevor sie auf das Kabel gelangt, verhindert man, dass das Kabel zur Antenne wird.
Schleifen erhöhen auch die Induktivität
Der Nachteil einer großen Schleifenfläche ist nicht nur die Abstrahlung. Eine schleifenförmige Verdrahtung hat Induktivität. Je größer die Schleife, desto mehr steigt die Induktivität und desto mehr steigt auch die Störspannung aus V = L × di/dt.
Mit anderen Worten: „Die Schleifenfläche klein zu machen“ ist eine Maßnahme, die zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt – sie wirkt sowohl auf die Reduzierung der abgestrahlten Störungen als auch auf die Reduzierung des Ground Bounce.
Zusammenfassung
- Verdrahtung wirkt ungewollt als Antenne. Schleifenförmige Verdrahtung ist eine Rahmenantenne, gerade Verdrahtung eine Stabantenne.
- Die Abstrahlstärke einer Rahmenantenne ist proportional zu „Schleifenfläche × Strom × Frequenz²“.
- Die eigentliche Abstrahlquelle ist die Schleife einschließlich des GND-Stroms, der das Signal zurückführt. Führen Sie ihn mit einer GND-Fläche direkt darunter zurück, um die Schleifenfläche zu minimieren.
- Externe Kabel werden für den Gleichtaktstrom zu kräftigen Stabantennen → mit einem CMC abschneiden.
- Die Verkleinerung der Schleifenfläche erreicht gleichzeitig die Reduzierung von Abstrahlung und Induktivität.
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