Leiterplatten-EMI, EMS und EMV: Definitionen und Designtipps

Im Leiterplattendesign bezeichnet EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) das Ziel einer Leiterplatte, die weder übermäßige Störungen erzeugt noch durch ihre Umgebung stark beeinträchtigt wird. EMI (elektromagnetische Interferenz) sind die unerwünschten Störungen selbst, EMS (elektromagnetische Verträglichkeit) die Anfälligkeit der Leiterplatte für äußere Störungen. EMV lässt sich hauptsächlich durch ein optimiertes Layout erreichen, das solide Masseflächen, kleine Stromschleifen, durchgängige Rückleitungen, gute Entkopplung und sinnvolle Filterung erfordert. Dieser Leitfaden erläutert die drei Begriffe, erklärt die Ursachen von Störungen und beschreibt die Leiterplattendesigntechniken und -tests, die die Kompatibilität und Konformität eines Produkts gewährleisten.

EMI, EMS und EMV: Definitionen und Unterschiede

Die drei Begriffe sind zwar verwandt, aber dennoch unterschiedlich; eine Verwechslung führt zu unklaren Anforderungen.

Vereinfacht gesagt, ist EMV erreicht, wenn eine Platine sowohl wenig elektromagnetische Störungen (EMI) abgibt als auch die EMI in ihrer Umgebung toleriert (gute Immunität, geringe elektromagnetische Störungen). Beide Aspekte – keine Emission und keine Störung – müssen erfüllt sein. Eine Platine, die zwar störungsarm, aber empfindlich oder robust, aber störungsanfällig ist, ist nicht elektromagnetisch verträglich.

Was verursacht elektromagnetische Störungen auf einer Leiterplatte?

Störungen entstehen durch sich ändernde Ströme und Spannungen, daher sind die schnellsten und schärfsten Signale die größten Quellen.

• Schnelle Schaltflanken. Schnelle Spannungs- und Stromübergänge enthalten hochfrequente Energie, die abgestrahlt wird.
• Stromschleifen. Jede Stromschleife wirkt wie eine Antenne; je größer die Schleife, desto mehr strahlt sie ab und desto mehr empfängt sie.
• Uhren und Obertöne. Periodische Taktsignale erzeugen starke Energie bei der Taktfrequenz und ihren Harmonischen.
• Schaltnetzteile. Schaltregler sind intensive lokale Quellen sowohl von abgestrahltem als auch von leitungsgebundenem Rauschen.

Das wiederkehrende Thema ist die Stromschleife. Die meisten Emissions- und Störanfälligkeitsprobleme lassen sich auf die Schleifenfläche reduzieren: Eine kleine Schleife ist sowohl ein schlechter Sender als auch ein schlechter Empfänger von Störungen. Deshalb geht es bei der EMV-Entwicklung so sehr darum, den Rückstromfluss zu kontrollieren – ein Anliegen, das auch bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen relevant ist.

Emissionen vs. Störfestigkeit: Die zwei Seiten der EMV

Konformität hat zwei Seiten, und ein Design muss beiden gerecht werden.

Emissionen

Emissionen sind die elektromagnetischen Störungen (EMI), die das Produkt aussendet. Sie werden als abgestrahlte Emissionen (durch den Raum) und leitungsgebundene Emissionen (über Kabel und Stromleitungen) gemessen. Vorschriften begrenzen die zulässige Emissionsmenge, um Störungen anderer Geräte zu vermeiden.

Immunität

Die Kehrseite der Medaille ist die Störfestigkeit: Das Produkt muss auch bei äußeren Störungen wie elektrostatischer Entladung, schnellen Transienten und abgestrahlten Feldern funktionsfähig bleiben. Eine gute Störfestigkeit bedeutet geringe Störanfälligkeit. Viele der gleichen Layout-Entscheidungen, wie z. B. solide Erdungen und kleine Schleifen, verbessern sowohl die Störaussendung als auch die Störfestigkeit gleichzeitig. Daher bilden sie die Grundlage des EMV-Designs und sind nicht nur ein nachträglicher Aspekt.

PCB-Layouttechniken zur Reduzierung von EMI

EMV wird größtenteils auf der Platine entschieden. Einige wenige Techniken erledigen den Großteil der Arbeit.

Die Rolle des Stackups und des Rückwegs

Das wichtigste Werkzeug ist eine durchgehende Referenzebene neben jeder Signalebene, sodass der Rückstrom in einer möglichst kleinen Schleife direkt unter dem Signal fließt. Wird diese Ebene geteilt oder ein Signal über eine Lücke geführt, wird der Rückstrom umgeleitet, wodurch eine große, abstrahlende Schleife entsteht. Entkopplungskondensatoren in der Nähe jedes ICs erfüllen dieselbe Funktion für die Stromversorgung. Diese Entscheidungen werden im Layout und im Lagenaufbau getroffen, die während der Leiterplattenfertigung festgelegt werden , und genau diese werden im Rahmen einer Designprüfung untersucht.

Häufige Fehler bei der EMV-Planung

Einige wenige, immer wiederkehrende Layoutfehler sind für den Großteil der EMV-Ausfälle verantwortlich, und für jeden dieser Fehler gibt es eine klare Lösung.

Beachten Sie, dass jede Korrektur auf denselben Grundprinzipien beruht: Rückstrom in einem kleinen, geschlossenen Kreislauf halten, lokal entkoppeln und Schirmungen ordnungsgemäß erden. Diese Fehler im Layout zu vermeiden ist wesentlich kostengünstiger als die Emissionsmessung in einem Prüflabor.

Leiterplattenabschirmung und -filterung

Wenn das Layout allein nicht ausreicht, sorgen Abschirmung und Filterung für eine zusätzliche Kontrollebene.

• Schutzmechanismen auf Boardebene. Metallbehälter über einem lärmbelasteten oder geräuschempfindlichen Bereich schirmen Felder ab oder blockieren sie.
• Filtern. Filter an den E/A-Leitungen und am Stromeingang verhindern, dass leitungsgebundene Störungen ein- oder austreten.
• Impedanzkontrolle und verlustarmes Material. Saubere, gut abgestimmte Signale strahlen weniger ab, und genau dort verlustarme Platinen und geeignet Hochfrequenzmaterialien Hilfe bei schnellen Designs.

Abschirmung ist ein komplexes Thema für sich, aber das Prinzip ist einfach: Energie, die man nicht eliminieren kann, wird eingedämmt und ihre Wege werden gefiltert. Abschirmungen und Filter ergänzen eine gute Raumaufteilung; sie ersetzen sie nicht.

EMV-Normen und Konformität (FCC, CISPR, CE)

Die meisten Produkte müssen die EMV-Vorschriften erfüllen, bevor sie verkauft werden dürfen. Welcher Standard anzuwenden ist, hängt vom Markt und der Produktart ab.

Die genauen Grenzwerte und Prüfmethoden variieren, die Struktur ist jedoch einheitlich: Es gibt Obergrenzen für die emittierten Strahlungen und minimale Störfestigkeitswerte. Die frühzeitige Kenntnis der geltenden Normen prägt die Konstruktion, da die nachträgliche EMV-Anpassung nach einem nicht bestandenen Konformitätstest zeitaufwendig und kostspielig ist.

EMV-Prüfmethoden

Die Einhaltung wird durch Tests nachgewiesen, die die beiden Seiten der EMV widerspiegeln.

• Abgestrahlte Emissionen. Misst die Energie, die das Produkt über einen Frequenzbereich in den Raum abstrahlt.
• Leitungsgebundene Emissionen. Misst das Rauschen, das das Produkt auf seine Strom- und Signalleitungen zurücksendet.
• Immunitätstests. Um sicherzustellen, dass das Produkt weiterhin funktioniert, setzen Sie es elektrostatischer Entladung, schnellen transienten Spannungsstößen, Überspannungen und Strahlungsfeldern aus.

Eine fehlerhafte Leiterplatte lässt sich oft durch die Behebung der oben genannten grundlegenden Probleme reparieren: Optimierung des Rückleitungspfads, Hinzufügen von Entkopplung, Schließen von Flächenspalten oder Anbringen einer Abschirmung bzw. eines Filters. Diese Fehler bereits im Designprozess zu erkennen, ist deutlich kostengünstiger als nach einem fehlgeschlagenen Test. Daher sollte EMV als Designparameter und nicht als letzte Hürde betrachtet werden.

Wie man eine Leiterplatte für EMV entwirft

Die zuverlässigste Methode, die EMV-Verträglichkeit zu gewährleisten, besteht darin, diese bereits bei der ersten Layoutentscheidung in die Planung einzubeziehen.

• Planen Sie den Stapel Jedes Signal hat also eine angrenzende, kontinuierliche Bezugsebene.
• Halten Sie die Schleifen klein. für Taktgeber, Schaltknoten und Hochgeschwindigkeitssignale.
• Entkoppeln Sie jeden IC mit Kondensatoren, die in der Nähe der Stromanschlüsse platziert sind.
• Teile das Brett auf So werden geräuschintensive Bereiche (Umschaltanlagen, Funkgeräte) von empfindlichen Bereichen getrennt.
• Planen Sie die I/O-Filterung und alle Abschirmungen bevor das Layout eingefroren wird.

Diese Entscheidungen kosten in der Entwicklungsphase nahezu nichts, sind aber bei nachträglicher Umsetzung sehr teuer. Werden sie frühzeitig getroffen, wirken sie sich auf die Fertigung, die zuverlässige Leiterplattenbestückung und die Serienproduktion aus. Bei Leiterplatten mit hohen Anforderungen an Wärmeentwicklung und EMV kann auch ein Substrat wie beispielsweise eine Metallkern-Baugruppe eine Rolle spielen.

EMV bedeutet, dass die Leiterplatte sowohl störungsarm als auch robust sein muss. Dies erreichen Sie durch die Kontrolle von Stromschleifen mittels massiver Leiterbahnen, Entkopplung, durchgängiger Rückleitungen sowie sinnvoller Abschirmung und Filterung. Die Wirksamkeit wird anschließend durch Emissions- und Störfestigkeitsprüfungen verifiziert. Berücksichtigen Sie dies von Anfang an im Design, und die Einhaltung der Normen ist selbstverständlich. Erfahren Sie mehr über Highleap Electronics und unsere Fertigungs- und Montagekompetenzen.

Häufig gestellte Fragen

Worin besteht der Unterschied zwischen EMI, EMS und EMV?

EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) ist das übergeordnete Ziel: ein Gerät, das in seiner Umgebung funktioniert, ohne unzulässige Störungen zu verursachen oder zu erleiden. Elektromagnetische Störungen (EMI) sind die unerwünschten Interferenzen, die ein Gerät aussendet, und elektromagnetische Störungen (EMS) beschreiben seine Anfälligkeit für externe Störungen. Ein kompatibles Produkt emittiert wenig EMI und weist eine gute Immunität (niedrige EMS) auf.

Was verursacht elektromagnetische Störungen auf einer Leiterplatte?

Veränderliche Ströme und Spannungen: schnelle Schaltflanken, Taktsignale und deren Oberschwingungen, Schaltnetzteile und insbesondere Stromschleifen, die als Antennen wirken. Je größer eine Schleife ist, desto mehr Strahlung und Störungen empfängt sie. Die meisten EMV-Probleme lassen sich auf die Kontrolle der Schleifenfläche und der Rückstrompfade zurückführen.

Was ist die wichtigste EMV-Designtechnik?

Eine durchgehende Referenzebene (Masseebene) grenzt an jede Signalschicht an, sodass der Rückstrom in einer möglichst kleinen Schleife direkt unterhalb des Signals fließt. Eine Unterbrechung dieser Ebene oder eine Leitungsführung über eine Lücke hinweg führt zu einer großen Rückstromschleife mit Abstrahlung. Durchgehende Flächen und minimale Schleifenfläche bilden die Grundlage für nahezu alle anderen Anwendungen.

Tragen Entkopplungskondensatoren zur Verbesserung der EMV bei?

Ja. Entkopplungskondensatoren (Bypass-Kondensatoren), die nahe an den Versorgungsanschlüssen jedes ICs platziert werden, liefern transiente Ströme lokal, wodurch die Stromversorgungsschleife und das damit verbundene Rauschen verkleinert werden. Sie stabilisieren außerdem die Versorgung und verbessern so sowohl die Störaussendung als auch die Störfestigkeit. Die Platzierung nahe an den Anschlüssen ist ebenso wichtig wie der Wert des Kondensators.

Ist eine Abschirmung für die EMV erforderlich, oder reicht das Layout allein aus?

Eine gute Anordnung mit geschlossenen Flächen, kleinen Schleifen, Entkopplung und kontrollierter Impedanz löst viele EMV-Probleme ohne zusätzliche Abschirmung. Abschirmungen und Filter bieten zusätzliche Kontrolle, wenn die Anordnung allein nicht ausreicht, beispielsweise über einem störungsanfälligen Funkbereich oder an I/O-Leitungen. Sie ergänzen eine gute Anordnung, ersetzen sie aber nicht.

Welche EMV-Normen muss ich erfüllen?

Es hängt vom Markt und Produkt ab: FCC Part 15 regelt Emissionen in den USA, die EU-EMV-Richtlinie (CE) deckt Emissionen und Störfestigkeit in Europa ab, CISPR legt weit verbreitete Emissionsgrenzwerte fest und die Normenreihe IEC 61000 definiert Störfestigkeitsprüfungen. Ermitteln Sie die anwendbaren Normen frühzeitig, da sie die Konstruktion maßgeblich beeinflussen.

Wie wird die EMV-Prüfung durchgeführt?

Durch die Prüfung beider Seiten – sowohl der abgestrahlten als auch der leitungsgebundenen Emissionen – wird die vom Produkt abgegebene Strahlung gemessen, während Störfestigkeitsprüfungen elektrostatische Entladungen, schnelle Transienten, Spannungsspitzen und abgestrahlte Felder anwenden, um die Funktionsfähigkeit zu bestätigen. Fehler werden üblicherweise durch Optimierung der Rückleitungen, Hinzufügen von Entkopplungen, Schließen von Flächenspalten oder Anbringen von Abschirmungen oder Filtern behoben.

Warum verursacht eine Lücke in der Massefläche elektromagnetische Störungen?

Der Rückstrom fließt natürlicherweise direkt unter der Signalleiterbahn. Ein Schlitz oder eine Unterbrechung in der Referenzebene blockiert diesen Pfad und zwingt den Strom, den Spalt zu umgehen. Dieser Umweg erzeugt eine große Stromschleife, die effizient abstrahlt und anfälliger für Störungen ist. Durch die durchgehende Referenzebene unter den Signalen, eine grundlegende Praxis im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenlayout, lässt sich dies vermeiden.