EMI/EMV-Design: Reduktion von Störungen durch Trennung von AC- und DC-Signalen

April 12, 2017 CircuitStudio

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In der Schule sprach mein Physiklehrer ständig über den „Stromkrieg“ zwischen Edison und Tesla. Damals hat es mich herzlich wenig interessiert, warum Edison den Gleichstrom (DC) für die Versorgung und Nutzung bevorzugte, während Tesla auf den Wechselstrom (AC) setzte. Dies veränderte sich jedoch schlagartig, als ich begann, den „Stromkrieg“ zwischen AC- und DC-Systemen aus erster Hand auf PCBs zu beobachten. Heutzutage nutzen PCBs sowohl AC- als auch DC-Schaltkreise. Dort, wo sie dann aufeinander treffen, kommt es häufig zu Problemen in Form von elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Glücklicherweise konnte der „Stromkrieg“ letztendlich befriedet werden und genauso können auch AC- und DC-Signale friedlich und harmonisch koexistieren. Der Schlüssel dafür ist die Trennung.

Isolierung von elektromagnetischen Störungen

Es gibt hier mehrere sehr klare Lösungen, die dabei helfen, die Störungen zwischen AC- und DC-Schaltkreisen in den Griff zu bekommen: die Abschirmung von Bauteilen, die Separation von Systemen, dedizierte Stromversorgungen, eine gute Erdung und der Verzicht, Abtrennungen zu überbrücken.

Abschirmung: Wie Sie wissen, gibt es auf einer Leiterplatte viele Bauteile, die elektromagnetische Störungen verursachen können. Dies umfasst Netzteile, Taktsignalgeneratoren und Oszillatoren, wovon ein jedes mit AC-Komponenten in Konflikt geraten kann. Ein Weg, um die EMI von „rauschenden“ DC-Bauteilen zu begrenzen oder anfällige AC-Bauteile zu schützen, ist es, sie einfach abzuschirmen. Eine solche Abschirmung wird im Wesentlichen sicherstellen, dass elektromagnetische Störungen, die sich innerhalb des Gehäuses durch die Luft verbreiten, keinen Einfluss auf den abgeschirmten Schaltkreis haben. Sie haben also etwas, das Sie entweder schützen oder eindämmen müssen. Die Lösung: Machen Sie das, was Menschen schon seit Jahrhunderten tun und verpacken Sie das Ganze in eine Metallhülle. Falls Sie mehrlagige Leiterplatten entwerfen, können Sie auch eine Masselage als Abschirmung hinzufügen. Obwohl das Abschirmen effektiv ist, werden dadurch Gewicht und Kosten der Leiterplatte erhöht. Handeln Sie also mit Bedacht, wenn Sie die EMI-Reduktion gegen anderweitige Bedenken abwägen.

 

Hightech electronic PCB
Egal, wie einfach oder komplex Ihre Leiterplatte ist, sie kann immer von einer AC/DC-Trennung profitieren

Trennung: Hätten sich Edison und Tesla gemeinsam in einem Raum befunden, so hätten sie sich mit Sicherheit einiges zu sagen gehabt. Und wer weiß, vielleicht hätte dieser verbale Schlagabtausch sogar in einer handgreiflichen Auseinandersetzung geendet. Zum Glück jedoch haben die beiden meist getrennt voneinander gearbeitet – Ihre AC- und DC-Bauteile sollten diesem Beispiel folgen. Die möglichst weit voneinander entfernte Platzierung von AC- und DC-Systemen (dies schließt sowohl Chips als auch Signalleitungen ein) wird Ihnen dabei helfen, sicherzustellen, dass es zwischen den beiden Systemen kein Übersprechen gibt. Wenn Sie auf Ihrer Leiterplatte nicht genug Platz haben, um für eine Distanz zwischen den AC- und DC-Systemen zu sorgen, dann können Sie als Alternative zwischen den zu trennenden Bauteilen Aussparungen in die Masselage schneiden. Die auch „Gaps“ genannten Aussparungen in der Masselage werden jegliche durch die Fläche fließenden Ströme zwingen, sich um die Gaps herum zu bewegen. Strategisch eingesetzt kann dies helfen, Ströme um empfindliche Systeme herum zu leiten. Kurz gesagt: Überkreuzen Sie nicht die Verbindungen! Eine gute Trennung zu gewährleisten, kann in einem einfachen Schaltkreis einfach sein. In komplizierteren Varianten kann dies jedoch eine ziemliche Herausforderung darstellen. Tun sie Ihr Bestes, um AC und DC voneinander zu trennen. Seien Sie sich jedoch darüber im Klaren, dass es schwierig sein kann, eine wirklich optimale Lösung zu erreichen.

Strom: In jeder AC/DC-Leiterplatte sollte es eine separate Stromversorgung für AC- und DC-Bauteile geben. DC-Bauteile können von ihrem Netzteil plötzliche Spitzen beziehen, was eine Spannungstransiente verursacht. Während unsere AC-Bauteile eventuell mit einer solchen Transiente arbeiten können (oder auch nicht), werden sie dies sicher nicht mit Ihrer vollen Leistungsfähigkeit tun. Wenn die Spannungstransienten zu groß sind, können sie in den AC-Komponenten Fehler verursachen oder den Schaltkreis sogar komplett lahmlegen. Die Arbeit mit separaten Stromversorgungen ist vielleicht nicht sonderlich praktisch, jedoch ist es besser, als sich mit einem nicht funktionierenden Chip auseinandersetzen zu müssen.

Erdung: Wie Sie bereits wissen, ist die Erdung von AC-/DC-Schaltkreisen ein komplexes Thema, und zwar so komplex, dass wir im Rahmen dieses Artikels nicht näher darauf eingehen können. Jedoch kann ich Ihnen diesen Tipp geben: Prüfen Sie die Rückstrompfade in Erdungsnetzen oder Masseflächen. Denken Sie daran, dass, während DC-Strom dem Pfad des geringsten ohmschen Widerstands folgt, AC-Rückströme dagegen dem Pfad des geringsten reaktiven Widerstands folgen. Bei AC-Rückströmen liegt der Pfad immer unter der Leiterbahn. Rückstrompfade sind ein Faktor, den man leicht vergessen kann. Prüfen Sie Ihre Masselage und zeichnen Sie die Rückstrompfade nach. Auch hier gilt die im vorherigen Absatz „Trennung“ gegebene Empfehlung: Kreuzen Sie keine Verbindungen!

(Kein) Überbrücken: Wenn Sie alle meine Ratschläge befolgen, sollten Sie über zwei ziemlich voneinander getrennte AC- und DC-Systeme verfügen. Auch wenn Sie jetzt in einer Ihrer Lagen Aussparungen haben und über deren Überbrückung nachdenken, sollten Sie genau dies nicht tun. Der gesamte Artikel befasst sich mit der Trennung von AC- und DC-Signalen. Ein solches Vorgehen würde dem, was wir Ihnen bis jetzt vermittelt haben, zuwider laufen!

Modern PCB
Ihre PCB-Designsoftware kann Ihnen beim Design Ihrer Leiterplatte mit AC-/DC-Signalen helfen

Wie Software Ihnen dabei helfen kann, AC- und DC-Systeme zu trennen

Diese Faustregeln sind vielleicht eine gute Empfehlung, jedoch können sie ohne einen Implementierungsplan nicht gewinnbringend angewendet werden. Dies ist der Punkt, an dem Ihre PCB-Design-Software ins Spiel kommt. Eine Trennung kann durch eine Farbkennzeichnung Ihrer PCB-Designs erreicht werden. Sie können Ihre AC- und DC-Systeme nachverfolgen, indem Sie ihnen eindeutige Farben zuweisen, um so sicherzustellen, dass sie auch wirklich getrennt voneinander sind – sowohl physisch als auch elektrisch. Eine Anleitung hierfür finden Sie in der Dokumentation für Circuit Studio von Altium . Fortgeschrittene Anwender finden die Farbkennzeichnung auch in Altium Designer.

Wann immer Sie sich auch an die guten alten Zeiten erinnern, in denen sich geniale Erfinder Mann gegen Mann mit dem Ziel der elektrischen Vorherrschaft gegenüber standen, denken Sie daran: Die AC-/DC-Signale auf Ihrer Leiterplatte machen genau das Gleiche. Aber anstatt eine Seite diesen Kampf gewinnen zu lassen, sollten wir uns für Frieden auf der Leiterplatte einsetzen.

Benötigen bzgl. dieser Themen Hilfe oder eine weiterführende Erklärung? Sprechen Sie mit dem Support von Altium.

 
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