Von der Signalrückführung zu den Filterkondensatoren: Goldene Regeln für die störungsfreie Leiterplattenentwicklung! Gleichtakt- und Gegentaktstrom

Von der Signalrückführung zu den Filterkondensatoren: Goldene Regeln für die störungsfreie Leiterplattenentwicklung! Gleichtakt- und Gegentaktstrom

Strahlungserzeugung: Strom erzeugt Strahlung, nicht Spannung. Statische Ladung erzeugt ein elektrostatisches Feld; konstanter Strom erzeugt ein Magnetfeld; zeitlich veränderlicher Strom erzeugt sowohl elektrische als auch magnetische Felder. In jedem Stromkreis gibt es Gleichtakt- und Gegentaktströme. Gegentaktsignale übertragen Daten oder Nutzsignale; Gleichtaktsignale sind Nebeneffekte des Gegentaktbetriebs.

Differenzstrom: Gleiche Amplitude, entgegengesetzte Richtung (Phase). Aufgrund verteilter Kapazitäten und Induktivitäten der Leiterbahnen, Impedanzdiskontinuitäten der Signalleiterbahnen und unerwarteter Signalrückwege kann Differenzstrom in Gleichtaktstrom umgewandelt werden.

Gleichtaktstrom: Die Amplitude kann unterschiedlich sein; die Richtung (Phase) ist jedoch gleich.

Die meisten externen Störungen eines Geräts sind Gleichtaktstörungen. Gegentaktstörungen treten zwar auch auf, Gleichtaktstörungen sind jedoch oft um ein Vielfaches stärker. Externe Störungen sind meist Gleichtaktstörungen. Gleichtaktstörungen selbst schaden Geräten in der Regel nicht, aber wenn sie in Gegentaktstörungen übergehen, wird es problematisch, da Nutzsignale ausschließlich Gegentaktsignale sind.

Das Magnetfeld des Differenzstroms konzentriert sich hauptsächlich innerhalb der von ihm gebildeten Schleife; außerhalb dieser Schleife heben sich die magnetischen Feldlinien gegenseitig auf. Das Magnetfeld des Gleichtaktstroms tritt außerhalb der Schleife auf, und die Richtungen der von den Gleichtaktströmen erzeugten Magnetfelder sind gleich. Viele EMV-Designs für Leiterplatten basieren auf diesen Prinzipien.

Zu den Möglichkeiten, Störungen auf einer Leiterplatte zu unterdrücken, gehören:

• Reduzierung der Differenzialmodus-Signalschleifenfläche

• Reduzierung des Rückrauschens hoher Frequenzen (Filterung, Isolation und Anpassung)

• Reduzierung der Gleichtaktspannung (Masseauslegung)

Zusammenfassung der Leiterplatten-Designprinzipien

Prinzip 1: Wenn die Taktfrequenz der Leiterplatte 5 MHz überschreitet oder die Anstiegszeit des Signals weniger als 5 ns beträgt, ist typischerweise ein mehrlagiges Leiterplattendesign erforderlich.

Grund: Der mehrschichtige Aufbau ermöglicht eine gute Kontrolle der Signalschleifenfläche.

Prinzip 2: Bei mehrlagigen Leiterplatten sollten wichtige Routing-Ebenen (Taktleitungen, Busse, Schnittstellensignale, HF-Leitungen, Reset-Leitungen, Chip-Select-Leitungen und andere Steuersignale) an eine durchgehende Massefläche angrenzen, vorzugsweise zwischen zwei Masseflächen.

Grund: Wichtige Signalleitungen sind starke Strahlungsquellen oder extrem empfindlich; die Verlegung in der Nähe einer Massefläche verringert die Schleifenfläche und damit die Strahlung bzw. verbessert die Störfestigkeit.

Prinzip 3: Bei einlagigen Leiterplatten sollten wichtige Signalleiterbahnen auf beiden Seiten eine Erdungsschirmung aufweisen.

Grund: Die Erdung auf beiden Seiten verringert die Schleifenfläche und verhindert Übersprechen zwischen den Signalleitungen.

Prinzip 4: Bei doppellagigen Leiterplatten ist eine großflächige Massefläche in der Projektionsebene wichtiger Signalleiterbahnen sicherzustellen. Alternativ können Masseschirmungen und Durchkontaktierungen ähnlich wie bei einlagigen Leiterplatten verwendet werden.

Grund: Gleiche Wirkung wie bei Schlüsselsignalen in der Nähe einer Massefläche auf mehrlagigen Leiterplatten.

Prinzip 5: Bei mehrlagigen Leiterplatten sollte die Stromversorgungsebene im Verhältnis zur angrenzenden Masseebene um 5H–20H nach innen verkleinert werden (H ist der Abstand zwischen Stromversorgungs- und Masseebene).

Grund: Durch die Verkleinerung der Stromversorgungsebene werden Probleme mit der Randstrahlung reduziert.

Prinzip 6: Die Routing-Layer-Projektion sollte innerhalb des Bereichs ihrer Rückpfadebene bleiben.

Grund: Wenn sich eine Routing-Schicht über die Projektion der Rückführungsebene hinaus erstreckt, erhöht sich die Randstrahlung und die Signalschleifenfläche vergrößert sich, was zu einer Erhöhung der Differenzialmodusstrahlung führt.

Prinzip 7: Bei mehrlagigen Leiterplatten sollten Signale >50 MHz auf der oberen oder unteren Lage vermieden werden.

Grund: Hochfrequente Signale sollten vorzugsweise zwischen zwei ebenen Schichten geleitet werden, um die Strahlung zu unterdrücken.

Prinzip 8: Bei Platinen, die mit Frequenzen über 50 MHz betrieben werden, sollten, wenn die zweite und vorletzte Lage Leiterbahnlagen sind, die obere und untere Lage mit Massekupfer bedeckt werden.

Grund: Hochfrequente Signale müssen zwischen zwei ebenen Schichten geleitet werden, um die Weltraumstrahlung zu unterdrücken.

Prinzip 9: Die Hauptarbeitsstromebene der Platine sollte an ihre Masseebene angrenzen.

Grund: Durch die Nähe von Stromversorgungs- und Masseflächen wird die Fläche der Stromversorgungsschleife verringert.

Prinzip 10–11: Bei ein- oder zweilagigen Leiterplatten müssen die Stromleiterbahnen benachbarte, parallele Masseleiterbahnen aufweisen.

Grund: Verringert die Fläche der Stromschleife.

Prinzip 12: Vermeiden Sie benachbarte Routing-Ebenen im Stack-up. Ist dies unvermeidbar, vergrößern Sie den Abstand zwischen den Routing-Ebenen und verringern Sie den Abstand zwischen einer Routing-Ebene und ihrer Rückleitungsebene.

Grund: Parallele Leiterbahnen auf benachbarten Routing-Schichten verursachen Übersprechen.

Prinzip 13: Vermeiden Sie überlappende Projektionsflächen benachbarter Ebenen.

Grund: Die Überlappung erhöht die kapazitive Kopplung zwischen den Ebenen, was zu einer Rauschübertragung führt.

Prinzip 14: Das Leiterplattenlayout sollte einer linearen Anordnung entlang der Signalflussrichtung folgen.

Grund: Verhindert eine direkte Kopplung und verbessert die Signalintegrität.

Prinzip 15: Wenn sich mehrere Schaltungsmodule auf derselben Leiterplatte befinden, sollten digitale, analoge, Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsschaltungen getrennt werden.

Grund: Verhindert gegenseitige Störungen zwischen verschiedenen Schaltungstypen.

Prinzip 16: Wenn Hochgeschwindigkeits-, Mittelgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsschaltungen nebeneinander existieren, sollten Hochgeschwindigkeits- und Mittelgeschwindigkeitsschaltungen von Schnittstellen ferngehalten werden.

Grund: Verhindert, dass hochfrequente Störungen über Schnittstellen nach außen dringen.

Prinzip 17: Bei Schaltungen/Geräten mit großen Stromänderungen (Leistungsmodul-E/A, Lüfter, Relais) sollten große Kondensatoren und Hochfrequenzfilterkondensatoren in der Nähe platziert werden.

Grund: Großkondensatoren verringern die Fläche von Stromschleifen bei hohen Strömen.

Prinzip 18: Eingangsfilterschaltungen sollten in der Nähe des Steckers platziert werden.

Grund: Verhindert, dass gefilterte Leitungen erneut gekoppelt werden.

Prinzip 19: Filter-, Schutz- und Isolationskomponenten für Schnittstellenschaltungen sollten in der Nähe der Schnittstelle platziert werden.

Grund: Gewährleistet effektiven Schutz, Filterung und Isolation.

Prinzip 20: Wenn an einer Schnittstelle sowohl Filterung als auch Schutz vorhanden sind, muss der Schutz Vorrang haben.

Grund: Der Schutzmechanismus verhindert Überspannungen und Überströme; andernfalls könnten die Filterkomponenten beschädigt werden.

Prinzip 21: Vermeiden Sie Kopplungen zwischen Eingangs- und Ausgangsleitungen von Filtern, Isolations- und Schutzschaltungen.

Grund: Die Kopplung schwächt ihre Wirksamkeit.

Prinzip 22: Wenn an einer Schnittstelle eine „saubere Masse“ verwendet wird, sollten Filter- und Isolationskomponenten im Isolationsbereich zwischen sauberer Masse und Arbeitsmasse platziert werden.

Grund: Vermeidung von Ebenenkopplung, die die Filterung/Isolation schwächt.

Prinzip 23: Nur Filter- und Schutzkomponenten dürfen auf „sauberem Boden“ platziert werden.

Grund: Saubere Erdungsflächen sind empfindlich gegenüber Störungen; nicht zugehörige Stromkreise sollten dort nicht platziert werden.

Prinzip 24: Starke Strahlungsquellen (Quarzoszillatoren, Relais, Schaltnetzteile) sollten mindestens 1000 mil von Platinenrändern und Anschlüssen entfernt sein.

Grund: Verhindert direkte Strahlung oder kabelgekoppelte Strahlung.

Prinzip 25: Empfindliche Schaltungen (Reset-Schaltungen, Watchdogs) sollten mindestens 1000 mil von den Platinenrändern entfernt sein – insbesondere von den Steckverbinderrändern.

Grund: Steckverbinder sind anfällig für äußere Störungen wie z. B. elektrostatische Entladungen.

Prinzip 26: Filterkondensatoren für ICs sollten so nah wie möglich an den Stromversorgungsanschlüssen des ICs platziert werden.

Grund: Je näher der Kondensator beieinander liegt, desto kleiner ist die Hochfrequenzschleifenfläche, wodurch die Abstrahlung reduziert wird.

Prinzip 27: Serienabschlusswiderstände am Quellende sollten in der Nähe des Signalausgangs platziert werden.

Grund: Für die Reihenanpassung ist die Kombination aus Widerstand und Treiberausgangsimpedanz gleich der Leiterbahn-Charakteristikimpedanz erforderlich.

Prinzip 28: Leiterbahnen auf Leiterplatten sollten keine rechten Winkel oder scharfen Winkel aufweisen.

Grund: Rechtwinklige Leiterbahnen verursachen Impedanzdiskontinuitäten, Überschwingen, Überschwingen und starke elektromagnetische Störungen.

Prinzip 29: Wenn benachbarte Leiterbahnlagen nicht vermieden werden können, sollten die Leiterbahnen senkrecht zueinander oder parallel verlaufen, wobei die Länge <1000 mil sein sollte.

Grund: Reduziert Übersprechen.

Prinzip 30: Bei internen Leiterbahnlagen werden Taktsignale und andere wichtige Signale auf inneren Lagen geführt.

Grund: Die inneren Schichten dienen der Abschirmung.

Prinzip 31: Taktleiterbahnen sollten auf beiden Seiten mit Masse abgeschirmt werden, wobei alle 3000 mil Masse-Durchkontaktierungen vorhanden sein sollten.

Grund: Gewährleistet ein gleichmäßiges Potenzial entlang der Schutzleiterbahn.

Prinzip 32: Wichtige Signale (Takt, Bus, HF) müssen die 3W-Regel für den Abstand innerhalb derselben Schicht einhalten.

Grund: Reduziert Übersprechen.

Prinzip 33: Bei Bauteilen in Strompfaden ≥1A (Sicherungen, Perlen, Induktivitäten, Tantalkondensatoren) müssen die Pads mindestens zwei Durchkontaktierungen zur Ebene aufweisen.

Grund: Reduziert über die Impedanz.

Prinzip 34: Differenzielle Paare sollten auf derselben Ebene parallel, gleich lang und mit konsistenter Impedanz verlegt werden, ohne dass sich dazwischen andere Leiterbahnen befinden.

Grund: Gewährleistet eine gleiche Gleichtaktimpedanz und verbessert die Immunität.

Prinzip 35: Wichtige Signale dürfen keine geteilten Ebenen (einschließlich Lücken von Vias oder Pads) überschreiten.

Grund: Durch das Überkreuzen von Splits vergrößert sich die Schleifenfläche.

Prinzip 36: Wenn sich kreuzende Split-Ebenen nicht vermeiden lassen, fügen Sie einen Brückenkondensator (1 nF) in der Nähe der Kreuzung hinzu.

Grund: Bietet einen beabsichtigten Rückweg.

Prinzip 37: Es dürfen keine nicht zusammengehörigen Leiterbahnen unterhalb von Filtern geführt werden.

Grund: Streukapazität beeinträchtigt die Filterleistung.

Prinzip 38: Die Eingangs- und Ausgangssignale des Filters dürfen nicht parallel verlaufen oder sich kreuzen.

Grund: Verhindert die direkte Rauschkopplung zwischen Vor- und Nachfilterleitungen.

Prinzip 39: Wichtige Signalleitungen müssen mindestens 3H vom Rand der Bezugsebene entfernt sein.

Grund: Unterdrückt Randstrahlung.

Prinzip 40: Bei metallenen Bauteilen mit Gehäusemasse muss der Vorsprung auf der obersten Schicht mit Massekupfer bedeckt werden.

Grund: Die verteilte Kapazität zwischen Gehäuse und Kupfer reduziert die Strahlung und verbessert die Immunität.

Prinzip 41: Bei ein- oder zweilagigen Leiterplatten sollte die Schleifenfläche beim Routing minimiert werden.

Grund: Kleinere Schleifenfläche = geringere Strahlung und stärkere Immunität.

Prinzip 42: Wenn wichtige Signale die Ebene wechseln, platzieren Sie Masse-Vias in der Nähe der Übergangs-Vias.

Grund: Verringert die Schleifenfläche.

Prinzip 43: Starke Strahlungsleiter (Takt, Bus, HF) sollten von externen Schnittstellensignalleitungen ferngehalten werden.

Grund: Verhindert die Kopplung an Ausgangskabel.

Prinzip 44: Empfindliche Signale (Reset-, Chip-Select- und Steuersignale) sollten von externen Schnittstellensignalen ferngehalten werden.

Grund: Externe Leitungen können Störungen übertragen, die zu Systemfehlfunktionen führen können.

Prinzip 45: Bei ein- und zweilagigen Leiterplatten müssen die Filterkondensatoren so verlegt werden, dass die Versorgungsspannung den Kondensator durchläuft, bevor sie den IC erreicht.

Grund: Gewährleistet, dass die Stromversorgung gefiltert wird, bevor sie den IC erreicht, und filtert vom IC erzeugte Störungen heraus.

Prinzip 46: Bei langen Stromversorgungsleitungen sollten alle 3000 mil (10 µF + 1000 pF) Entkopplungskondensatoren platziert werden.

Grund: Filtert hochfrequentes Rauschen in Stromleitungen.

Prinzip 47: Die Leiterbahnen der Filterkondensatoren zu Stromversorgung und Masse sollten so dick und kurz wie möglich sein.

Grund: Ein niedrigerer ESL-Wert erhöht die Resonanzfrequenz des Kondensators und verbessert so die Hochfrequenzfilterung.