Notizen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit

zusammen gestellt von Martin Clausen (mc AT rotgradpsi DOT de) aus einem Emailwechsel mit Thomas Rehm

Auch im semiprofessionellen Bereich der Schaltungsentwicklung steigen die Anforderungen an die zu entwickelnden Geräte. Mirkokontroller, CPLD und diskrete Logik, Speicher, ADC und DAC erschließen neue Geschwindigkeits- und Genauigkeitsbereiche. Selbst wenn die Funktion der Schaltung sichergestellt werden kann, ist dies nicht allein ausreichend. Plötzlich stellt der Entwickler fest, daß beim Betrieb der neuen Schaltung der Radioempfang nicht mehr möglich ist. Spätestens dann stellt sich die Frage nach der elektromagnetischen Verträglichkeit des Entwurfs.

Inhalt:

Vorwort von Thomas Rehm

EMV läßt sich nur schwer in Kochrezepte fassen. Das zeigt sich deutlich an der Stelle, wo Sinn oder Unsinn von Ferriten vor Spannungsreglern diskutiert wird: Es hängt von vielerlei Umständen ab, ob eine EMV-Maßnahme 'richtig' - also zielführend - oder bestenfalls 'korrekt' ist im Sinne von 'so habe ich es irgendwo gelesen'. Dieser Text kann also nur Anregungen und Denkanstöße für eigene Überlegungen und Messungen bieten.

Klassifizierung der Störungen

Auch wenn die Bereiche in einandergreifen, können verschiedene Bereiche unterschieden werden:

Geräte

Mit einer "Schnüffelsonde" kann man der Ursache von Störstrahlung nachgehen:
Am Oszilloskope ein Koaxkabel anschließen, dessen freies Ende entweder direkt oder über Buchse mit einem Widerstand (ca. 10 bis 100 Ohm) beschaltet wird. Der Widerstand ist dabei ganz kurz mit dem Innenleiter zu verlöten, das andere Ende des Widerstandes geht dann in eine kurze isolierte Drahtschleife, welche zu einem Ring mit ca. 1cm Durchmesser gebogen wird und an der Abschirmung des Koaxkabels (oder der Buchse) angelötet wird. In der höchsten Empfindlichkeitsstufe des Oszilloskopes dann die Sonde direkt an die Chips und Leitungen halten - so lassen sich die größten Störer leicht ausfindig machen.
Eventuell ist noch ein Vorverstärker nützlich (Bandbreite bis 100MHz oder mehr, Verstärkung etwa 20 dB, nichts selbsgebautes, sondern ein abgeschirmter Verstärker mit BNC- oder N-Buchsen sollte es sein) - damit lassen sich auch Störungen, die sich z.B. über die Versorgung ausbreiten, erkennen und so kann man seine Entstörmaßnahmen besser beurteilen.
Gut ist es, alle wichtigen Messungen durch eine weitere Meßmethoden zu verifizieren. Dies gilt besonders dann, wenn man selbstgebasteltes oder unzureichendes Meßequipment benutzt.Und zum Thema "Messen mit dem Oszilloskope" ein wichtiger Tip, wenn man HF- bzw. EMV-Störungen auf der Spur ist: Besonders bei kleineren Pegeln im MHz-Bereich ist es sinnvoll, den Tastkopf mal auf die Tastkopfmasse zu setzen und zu schauen, ob noch ein Signal zu sehen ist. Man wird sich wundern. Aber auch langjährig Meßerfahrene fallen immer wieder darauf rein, daß was sie messen, was letztendlich durch Einkopplung in den Masseanschluß des Tastkopfs "entsteht".


Benötigte Geräte für entwicklungsbegleitende Hardware in der Industrie

Wichtig: Spektrumanalysator, Burst- und Surge-Generator, dazu für die zu testenden Geräte geeignete Einkoppelnetzwerke (Selbstbau möglich). Außerdem eine ESD-Pistole. (Dies alles ist aber gebraucht oft schwer erhältlich und dann immer noch sehr teuer). Damit kann man zumindest die wichtigsten leitungsgebundenen Tests machen. Hat man die leitungsgebundene HF-Störaussendung im Griff, dürfte auch die Störabstrahlung (Antennentest) kein großes Problem werden (unter der Vorraussetzung relativ kleiner Prüflinge). Gebrauchte Burst- und Surge-Generatoren sind schwierig zu bekommen. Aufpassen, welche Impulsformen die angebotenen Geräte erzeugen können, wenn diese nicht annähernd den für zu produzierenden Geräte geltenden Normen entsprechen, lohnt sich die Investition nicht. Selbstbau ist problematisch (rechnet sich nicht).

Ein (auch älterer) gebrauchter Spektrumanalysator ist schon eine wichtige Investition. Er sollte 1 GHz bewältigen können (500 MHz wäre ein Kompromiß), sonst ist er sinnlos. Auf die Empfindlichkeit ist zu achten. Manchmal werden Geräte angeboten, deren Empfindlichkeit im mV-Bereich liegt: Ungeeignet.

Meine Versuche, die in manchen Oszilloskopen eingebaute FFT-Funktion für entwicklungsbegleitende Tests zu benutzen, ergaben, daß dies sehr problematisch und kaum verwendbar (auch mit Vorverstärker nicht) ist wegen Aliasproblemenund zu geringer Auflösung.

Weiterhin empfiehlt sich ein Sortiment sog. Schnüffelsonden (siehe auch oben), mit denen man Störquellen auf der Leiterplatte gezielt suchen kann. beschrieben.

Gut sind zwei Arten sehr einfach herzustellender Sonden:

Vorbereitung auf EMV-Prüfung

Man muß nicht grundsätzlich in ein EMV-Labor. Wenn man begründen kann, warum ein Gerät die Grenzwerte sicher unterschreiten wird, kann man auch "ohne" seinen CE-Kleber am Gerät anbringen. Beispiel: Eine Quarz-Armbanduhr, da läßt es sich aus einsichtigen Gründen sehr einfach begründen (maximal vorkommende Taktfrequenz, umgesetzte Leistung, angeschlossene Leitungen etc. sind die Kriterien).

Wenn man entwicklungsbegleitende Tests machen kann, so kann man sein Produkt versuchen so gut wie möglich zu optimieren. Zum Test geht man aber dann mit einem "abgespeckten" Produkt (nicht alle Maßnahmen eingebaut) und kann dann nötigenfalls, wenn Grenzwerte überschritten werden, gezielt und schnell nachrüsten. Im Labor erst das Suchen anzufangen wird teuer und artet in echten Streß aus.

Eine sehr gute Einführung zum Thema "EMV für arme Leute" findet sich auf www.compliance-club.com: Die Artikelserie "EMC Testing" dort ist unbedingt empfehlenswert! (7 Folgen, sowohl als HTML als auch als PDF zum Download)

EMV-Filter (Baugruppen-Ebene)

Jeder Chip wird über 100nF, bei Bedarf zusätzlich über 10nF und 1nF entkoppelt. Dies ist eine funktionale Notwendigkeit, hat mit EMV bzw. Eigenentstörung nichts zu tun. Wirksam für EMV sind Werte von 1nF und 10nF, die außerdem als SMD direkt am Störer liegen müssen - oder die Leitung zum Störer muß am C vorbeigeschleift werden. Auch einige 10µF Elkos sind funktional nötig.
Bei µC reichen sehr oft 1-kOhm-Serien-Widerstände als "Filter" in allen uC-Portleitungen (egal ob In- oder Output) - bringt im Zusammenhang mit den Streukapazitäten etwa 20 dB Dämpfung bei 100 MHz und ist wirksam bis etwa 500 MHz (dort beginnt die Eigenkapazität kleiner zu werden als der ohmsche Anteil des Widerstandes)Eine gewisse Filterwirkung haben auch Latches oder ähnliche Bauteile (sofern sie nicht mit voller Taktfrequenz laufen). Diese so nahe wie am Controller plazieren; die Bausteine "isolieren" HF-Störungen ebenfalls mit mindestens 20dB.
Wenn Serienwiderstände technisch nicht sinnvoll sind, muß entweder die betreffende Leitung mit 1nF (KerKo, SMD) nach Masse abgeblockt werden und/oder in Serie ein Ferritblock (Ferritperle) eingebaut werden (SMD, Bauform 0805 oder 1206 sind üblich), da gibt es jede Menge. Als Universal-Element eignen sich Ferritblöcke mit "600 Ohm Impedanz" (bei 100MHz), für Ströme ab ca. 100 mA müssen es dann schon 60-Ohm-Ferrite sein, zusammen mit je 1nF vor und nach dem Ferrit. Diese Ferritbauteile haben für Gleichspannung einen Widerstand kleiner 1 Ohm (typisch 0,5Ohm für einen "60-Ohm@100MHz"-Ferrit).
Aufgrund der parasitären Kapazitäten läßt die Wirksamkeit dieser Ferrite bei 1GHz deutlich nach. Sehr breitbandig wirken integrierte LC-Filter in SMD-Technologie, die im Prinzip aus einem Kerko mit eingebautem Serien-Ferritbauteil bestehen.
Fertige "EMI"-Filter sind meist für bestimmte Anwendungsfälle gedacht und um bestimmte Normen zu erfüllen (Netzstörungen etc.), zur generellen Entstörung von Schaltungen sind die meist weniger zu gebrauchen, denn das ist immer individuell zu dimensionieren.
Wird bei einem stark störenden Controller auch nur eine Leitung beim Abblocken vergessen, so sind alle anderen Abblockmaßnahmen nahezu wirkungslos. - Das gleiche gilt auch für Störfestigkeit gegen Störungen von außen. Dies kann man gut mit einem Wassereimer vergleichen: Hat dieser viele Löcher, verstopft man aber nicht alle sondern läßt nur eins offen, läuft trotzdem das Wasser raus.
Ferritperlen werden direkt an die Quelle der Störungen plaziert, um die Störquellen nach außen hin zu isolieren. Dies ist natürlich nicht immer möglich - etwa ein Adreß- oder Datenbus darf so nicht behandelt werden. Aber für Funktionsgruppen, die nach außen hin abgekapselt werden können, sind Ferrite (zusammen mit Keramik Kondensatoren) geeignet. Besonders starke Störer innerhalb einer Funktionsgruppe können separat gefilter werden. Funktionsgruppen können "Analog" und "Digital" sein, die sinnvollerweise separate Masseleitungen haben sollten.
Ferritperlen haben meist um 100MHz ihre beste Wirkung (Impedanz ca. 100 bis 1000 Ohm, je nach Typ). Diese hohe Impedanz kann in Versorgungsleitungen an Logik funktionale Probleme machen, weil für kurze Impulse die Spannung zusammenbrechen kann. Daher dürfen Ferrite nur zusammen mit (ausreichend dimensionierten) Kondensatoren (SMD-Keramik Kondensatoren) verbaut werden.
Vor Spannungsreglern machen Ferrite nur dann Sinn, wenn auf diesem Wege reinkommende Störungen abgeblockt werden müssen. Für den umgekehrten Weg, etwa von einem Controller über einen Regler nach draußen hin als Abblockung, liegen diese Ferrite zu weit weg von der Störquelle, die Störungen können sich dann unkontrolliert ausbreiten und durch die größere Fläche leicht abgestrahlt oder in Leitungen, die nach außen führen, Störungen einstrahlen.
Ist jede Funktionsgruppe mit einen eigenen Regler ausgestattet, dann ist die Idee mit dem Ferrit vor dem Spannungsregler doch nicht soweit hergeholt, sofern der Regler in der jeweiligen Baugruppe sitzt.

Gehäuse und Layout

Es ist das Inselkonzept anzuwenden - also Masse und Versorgung sternförmig anbinden. Räumliche Trennung von Analog- und Digitalteilen. Stromversorgung muß aufgeteilt werden in Segmente, die untereinander mit Ferriten und Filtern abgeblockt sind. Aber aufpassen: Ferritdrosseln werden bei höheren Strömen unwirksam (Sättigungseffekt, ab 100 bis 300 mA) und "Filter" mit Spulen sind problematisch, wenn die nicht ausreichend bedämpft sind.

Störaussendung durch Öffnungnen in Gehäusen werden bei der Größenordnung von einer halben Wellenlänge, praktisch nicht mehr geschirmt. Man sagt so faustformelmäßig, 1/10 Wellenlänge strahlt nicht mehr nennenswert ab. Aber auch das bedeutet nur, dass es sich nicht mehr um eine brauchbare Antenne handelt, die Schirmdämpfung eines Gehäuses ist auch dann immer noch nicht so besonders gut.
Jede Öffnung, auch ein Gehäusespalt z.B. zwischen Ober- und Unterschale, wenn der keine durchgehende elektrisch leitende Verbindung hat, ist über die Länge des Spaltes ein Schlitzstrahler bzw. "Loch" im Sinne der HF.
Aber viel wichtiger als die Dichtigkeit eines Schirmgehäuses ist es, die HF überhaupt erst am Entweichen zu hindern, also möglichst schon an der Störquelle abzufangen und zu verhindern, daß die Störungen über Leitungen nach außen kommen, welche dann natürlich als Antennen wirken. Größere Chips mit hohen Taktfrequenzen können natürlich auch selbst strahlen, da kann es schon viel bringen, Cu-Folie auf und eine Masseplane unter den Chip zu bringen und diese möglichst kurz mit allen) GND-Anschlüssen des Chips zu verbinden.
Hier kann man gut mit der "Schnüffelsonde" auf die Suche gehen, wo Quelle und Ausbreitungsweg der Störungen ist.
Ein kleiner Aufbau ist besser für Abstrahlung, bringt aber nur dann Verbesserung, wenn sowieso schon bestens abgeblockt und gefiltert ist - im allgemeinen also nichts.
Mit einer Massefläche und evt. zusätzlich einer Powerplane zu arbeiten macht nur dann Sinn, wenn man mindestens Vierfachlayer einsetzen kann. Bei einer doppelseitigen Leiterplatte würden die restlichen Leiterbahnen die "Planes" derart durchlöchern, dass die Wirkung stark abnimmt und sich u.U. sogar inīs Gegenteil verkehren kann: Masse-Leiterschleifen, welche induktiv oder sogar als Antennen wirken... Bewährt hat sich bei doppelseitigen Leiterplatten, die freibleibenden Flächen auf beiden Seiten mit Masseflächen aufzufüllen, welche ggf. mit mehreren Durchkontaktierungen wechselseitig miteinander verbunden werden. Dadurch erhält man eine recht brauchbare durchgehende "Masse-Plane". Die Versorgung wird dabei (sinnvoll: sternförmig) vom Netzteil aus geroutet, evt. mit etwas dickeren Leiterbahnen als die Signalleitungen.

Kann man nur auf Multilkayerplatinen HF-Schaltungen aufbauen?
Das muß nicht unbedingt so sein, obwohl es alles natürlich vereinfacht: Ein Versuchsaufbau kan etwa so aussehen: Gehäuse aus kupferkaschiertem Epoxydmaterial. Dies läßt sich gut sägen und zu einem HF-dichtem Gehäuse mit Abschirmkammern zusammenlöten. Einzelne Funktionsgruppen teils Lochrasterplatinen, teils freiverdrahtet. Die Lochrasterplatinen so ausgelegt, das Versorgung und Masse jeweils an einem Rand liegen. Dort und auf die Cu-Fläche des Gehäuses wird ein Draht ("Silberdraht", also versilberter Kupferdraht) gelötet.
Für die Durchführungen zwischen den abgeschirmten Kammern habe sind früher Durchführungs-Kondensatoren benutzt worden. Es dürfte reichen, zwei SMD-Cs von beiden Seiten an ein Loch, wo der Draht durchgeführt wird anzulöten. An den mittleren Kontakt der Kondensatoren wird dann der Draht angelötet.
Dies funktioniert bis vielleicht 100 oder 200 MHz. Darüber hinaus wird man kaum um "echte" Leiterplatten mit einer Groundplane herum kommen. Diese sind allerdings selbst als Prototyp-Exemplare nicht all zu teuer (z.B. pcbpool)

Mikrocontroller

Reset-Eingänge und Oszillatorpins werden mit Kondensatoren auf dem kürzesten Weg an diese Masse angeschlossen. Reset: 1 nF, Quarzoszillator: je 22 pF. Vor allem der Reset-Abblock-Kondensator wird gerne vergessen und gerade dieser Pin ist sehr kritisch bei Störimpulsen. Auch bei den Kondensatoren für den Quarz wird immer wieder der Fehler gemacht, daß diese nicht etwa auf kürzestem Wege angebunden werden sondern daß diese "irgendwo" auf eine Masseleitung gelegt werden.
Alle Leitungen, die vom Controller wegführen, müssen gefiltert werden. Je länger diese Leitungen sind und je schneller die Nutzsignale auf diesen Leitungen sind, um so aufwendiger ist das nötige Filter. Sind nur kurze Leiterbahnen (wenige cm) angeschlossen, so muß i.A. nicht gefiltert werden. Hängt ein auf der Leiterplatte montierter Taster oder Schalter an einem Port, so sollte man diesen immer mit einen Serienwiderstand 1kOhm an den betreffenden Port anschließen. Diese 1kOhm wirken im Zusammenhang mit der Streukapazität der Leiterbahnen schon als Tiefpaß. Diese Maßnahme - sofern elektrisch sinnvoll - ist auch anzuwenden, wenn Leitungen zu anderen Schaltungsteilen auf der gleichen Leiterplatte führen.
Ist ein Schalter oder irgendein Interface über ein Kabel an die Controllerplatine angeschlossen, so muß grundsätzlich mit einem R und einem C gefiltert werden. Beispielsweise mit dem erwähnten 1 kOhm und 10nF direkt am Portpin.
Die Stromversorgung muß nicht nur mit 100nF gestützt werden (damit die Schaltung sich nicht selbst stört) sondern außerdem auch noch mit zusätzlichem 10nF/1nF-Kondensator und evt. noch mit einer Ferritperle in Serie, wenn die Stromversorgungsleitung der Störung besonders ausgesetzt ist.
Ferrite in uC-Versorgungsspannungszuführungen sind aus funktionaler Sicht problematisch. Daher muß der uC separat nochmal mit 100nF und evt. Tantal 10uF abgeblockt werden, da ein Ferrit die Impedanz der Versorgung aus Sicht des Controllers dann für hohe Taktfrequenzen hochohmig macht (d.h. bei steilflankigen Stromimpulsen bricht die Spannung ein).
Überhaupt sind alle Leitungen, die zur Platine führen, kritisch, da diese als Antenne wirken. Auch bei wenigen cm Länge kann das ohne Abblockmaßnahmen kritisch sein. Selbst wenn diese "Antenne" nur auf einen Ausgang des Controllers führt, kann der Controller empfindlich gestört werden.
Ein Abschirmgehäuse nutzt nur dann etwas, wenn alle Leitungen, die hinein und hinaus führen, abgeblockt bzw. gefiltert sind. Und sind alle Leitungen wie beschrieben abgeblockt/gefiltert, dann kann man in den allermeisten Fällen auf eine Abschirmung sogar völlig verzichten. "Testaufbauten" in der Nähe starker Störerzeuger sind meist unbrauchbar. Die Schaltung muß auf einer Leiterplatte mit einer durchgehenden Massefläche plaziert werden. Diese Massefläche darf nicht durch Leiterbahnen durchbrochen werden, sonst wird sie unwirksam. Es ist also eine zweiseitige Leiterplatte nötig. Außerdem dürfen zum Abblocken nur SMD-Kondensatoren verwendet werden.

Oszillatoren

Oszillatorleitungen, über die ganze Leiterplatte geroutet, sind Gift. Wenn sich das nicht vermeiden läßt, tiefpaßfiltern (Sinussignal) und/oder in Serie vor Oszillatorausgang und Eingang Widerstände legen (bis 1 kOhm, sofern Taktfrequenz und Streukapazitäten dies erlauben, ohne daß die Amplitude unzulässig sinkt.
Bei Quarzen im MHz-Bereich an Controllern ist zu beachten: Dort sind üblicherweise 2 keramischen Kondensatoren (12 bis 22pF) nach Masse gelegt. Diese Masse muß auf dem kürzesten Weg an die Masseleitung des Controllers angeschlossen werden, und von dieser Masseleiterbahn dürfen auf keinen Fall weitere Leiterbahnen ausgehen - dies ist eine der problematischsten Störquellen und kann sogar zu Störungen des Oszillators führen (besonders bei leitungsgebundener Störeinkopplung).

Halbleiter-Technologie

Bandbreite auf den nötigen Wert begrenzen, den Einsatz langsamerer Bausteine prüfen. Möglichst auf 74ACT... und ähnlich schnelle Gatter verzichten; anderenfalls diese nach außen hin sorgfältig abblocken.
Schnelle ASICs und EPLDs/CPLDs können Quelle extrem starker Störungen sein. Die Herstellerangaben für die Abblockung sind peinlichst einzuhalten und wo es geht, konfigurierbare Ports auf niedrigsmögliche Flankensteilheit einstellen. Speziell für EMV gedachte Ports mit "geregelter Flanke" erzeugen zwar fast keine Störungen, reagieren aber andererseits sehr empfindlich auf Störungen von außen.
Höhere Integration vereinfacht natürlich das Abblocken ungemein, man hat nur einen "giftigen" Chip und nicht gleich jede Menge wie bei einem "TTL-Grab". Es kann aber auch die Situation verschlechtern, wenn analoge und digitale Baugruppen dann im gleichen Chip sind.

Kann man auch TTL Leitungen terminieren, wenn ja wie ist das zu dimensionieren?
An jede Leitung Widerstand ca. 120 Ohm in Serie zu einem C von ca. 47pF (letzteres ausprobieren, je nach Logik-Familie). Aber das lohnt sich wohl nur bei größeren und schnellen Bussystemen (PC-Motherboard-Größe, High-Speed-Logik). Vielleicht macht es auch eher Sinn, mit Serienwiderständen direkt an den Digital-Ausgängen zu arbeiten. Die Größenordnung liegt um 100 Ohm. Der genaue Wert ist experimentiell zu ermitteln. Das wirkt dann zusammen mit den Streukapazitäten als Tiefpaß. Gleichzeitig muß der Ausgang nicht mehr die ganze Streukapazität treiben, sondern wird durch den Serienwiderstand etwas entlastet. Dies kann Störungen auf GND und Versorgung verringern.
Für schnelle Bus-Signale, die nicht bedämpft werden dürfen, hilft nichts: Kurze Leiterbahnen, evt. ist Multilayer nötig, Schirmlayer auf den Außenlagen. Überschwingen auf den Busleitungen (was eher ein funktionales als EVM-Problem ist) bedämpft man mit Serienwiderständen 33 bis 100 Ohm am Controller (was auch Störungen auf Masse und Versorgung verringern kann) oder mit einer Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator (100 Ohm, 56 pF, ausprobieren) zwischen Busleitung und GND.

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