EMV in IoT-Anwendungen

Inhaltsverzeichnis

• Wo liegt das Problem?
• EMV-Kopplung
• Tipps für ein elektromagnetisch verträgliches Design
• Fazit

Wo liegt das Problem?

Drahtlose RF-basierte Geräte nutzen elektromagnetische Wellen, um miteinander zu kommuni-zieren. Da immer mehr RF-Geräte nebeneinander eingesetzt werden, können diese sich gegen-seitig durch elektromagnetische Interferenzen stören. Sind diese Geräte nicht genügend robust gegen Störeinkopplungen und die Filterung der Kommunikationssignale nicht ausreichend, kön-nen die Kommunikation und die Gesamtfunktion stark beeinträchtigt sein.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eines Produkts wird für Systemingenieure immer komplexer, da die Anzahl der Geräte mit unterschiedlichen Störaussendungen und die allgemei-ne System-/Netzwerkkomplexität ständig weiter zunehmen. In einem Produkt können die lei-tungs- und strahlungsgebundenen Abstrahlungen und die Störstrahlfestigkeit ein anspruchsvoller Aspekt in der Elektroniktopologie sein. Darüber hinaus kann das Nichtbestehen eines einzigen Tests während des EMV-Zertifizierungsprozesses die Produkteinführung maßgeblich verzögern und zu einem erhöhten finanziellen Aufwand führen. Es gibt eine Vielzahl von EMV-Prüfungen, die durchgeführt werden müssen, um sicherzustellen, dass ein Produkt den gesetzlichen Normen entspricht. Wir haben einige davon in unserem Whitepaper zur EMV zusammengetragen. Zum einen gibt es gängige EMV-Prüfungen wie die Messung lei-tungsgebundener und gestrahlter Störaussendungen. Darüber hinaus gibt es aber auch weniger bekannte Prüfungen wie den Klirrfaktortest oder die Prüfung der Störfestigkeit.

EMV-Kopplung

Die offenkundigste Art der Kopplung ist die feldgebundene Störaussendung. Dabei werden elekt-romagnetische Felder von einem Gerät in die Schaltkreise anderer Geräte einkoppelt, was zu Funktionsstörungen führen kann. Diese feldgebundenen Störungen kann man mit einer RF-Abschirmung der einzelnen Geräte entgegenwirken. In einigen komplexen Systemen kann es jedoch zu einer Verkopplung innerhalb eines Gerätes kommen - in diesem Fall ist eine weitere EMV-Analyse des Schaltungsdesigns erforderlich.

Zwar können auch hier spezifische EMV-Maßnahmen ergriffen werden, um elektromagnetische Interferenzen zwischen den einzelnen Geräten abzuschwächen, aber es gibt auch ohne Stör-einwirkungen durch ein anderes Gerät geräteinterne Kopplungsphänomene, die zu einer schlech-ten Signalqualität führen und damit zu Kommunikationsausfällen führen können. Es gibt vier Ar-ten der Kopplung, die sich aus einem ungünstigen Schaltungslayout ergeben können. Das Layout kann unbeabsichtigt induzierte Ströme oder Stromschleifen enthalten, die intern oder extern zu elektromagnetischen Unverträglichkeiten führen. Zum Glück gibt es aber Möglich-keiten, die Kopplungspfade zu verringern und elektromagnetische Störungen zu vermeiden.

Eine Verkürzung der Leiterbahnlänge verschiedener Schaltungsschleifen oder die Umsetzung einer Stern-Topologie der Bezugsmasse können dazu beitragen, die galvanische Kopplung im Schaltkreis zu verringern. Die Reduzierung der Betriebsfrequenz und der Länge paralleler Leiter-bahnen für unterschiedliche Signaltypen verringert die kapazitive Kopplung. Um die induktive Kopplung zu reduzieren, minimiert man am besten die Größe von Leitungsschleifen.

Bei der Konstruktion aller RECOM Produkte werden umfangreiche Maßnahmen ergriffen, um eine interne Kopplung zu verhindern. Weitere Maßnahmen kommen anschließend während der EMV-Prüfung zum Tragen, mit der wir sicherstellen, dass wir die strengen EMV-Normen erfüllen.

Tipps für ein elektromagnetisch verträgliches Design

Für den Entwurf eines Produkts, das strenge EMV-Anforderungen erfüllen soll, haben wir ver-schiedene Empfehlungen, die wir in unserem EMV-Whitepaper näher erläutern.

1. Elektromagnetische Trennung kritischer und nicht-kritischer Bereiche: Kritische Bereiche sollten gegen Felder abgeschirmt sein. Alle in den Bereich eintretenden Signalleitungen müssen ordnungsgemäß gefiltert werden. Bei diesem Konzept kann jede Störung in ei-nem kritischen Bereich von einer anderen isoliert werden, was sowohl die primäre Ein-dämmung als auch die sekundäre Fehlersuche bei fortschreitender Konstruktion erleich-tert.
2. Konnektoren durchdacht platzieren: Zum Beispiel kann die Platzierung aller Steckverbin-der auf einer Seite der Platine dazu beitragen, dass die Platine geringere Störpegel verur-sacht. Wenn ein abgeschirmtes Gehäuse verwendet wird, sind auch die Steckverbinder im Optimalfall geschirmt.
3. Jede Leitungsbahn einzeln planen: Hochohmige Leiterbahnen, die über eine größere Ent-fernung geführt werden, sind viel häufiger Streueinflüssen ausgesetzt, die zu uner-wünschten Störungen führen können. In bestimmten Fällen sollte eine differentielle Lei-terbahnplanung in Betracht gezogen werden.
4. Kondensatoren zum „Kurzschließen“ von Hochfrequenzsignalen nutzen: Optimal platziert können Kondensatoren zur Beseitigung von HF-Signalstörungen verwendet werden. Statt ein unerwünschtes HF-Signal zu vermeiden, sollte es durch einen geschickt platzierten Kondensator auf ein bekanntes Potential geleitet werden.

Fazit

Die Ära des IoT stellt Elektroingenieure und Designer vor komplexe Herausforderungen, die frü-her in diesem Ausmaß nicht bestanden. Die Verwendung hochempfindlicher Signal- und Leis-tungsschaltungen und immer strengere EMV-Grenzwerte erfordern eine sorgfältige Auslegung, um die ordnungsgemäße Funktion und die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die kapazitive, induktive, feldgebundene und galvanische Kopplung zu reduzieren, die bei der Entwicklung von IoT-Geräten häufig Schwierigkeiten bereiten. Diese stellen wir in unserem Whitepaper Power Supply Meets EMC whitepaper genauer vor. Zweifellos werden die zunehmende Komplexität der Schaltungen, Komponenten und Systeme sowie die höheren Betriebsfrequenzen die Konstrukteure in Bezug auf die elektro-magnetische Verträglichkeit auch weiterhin vor große Herausforderungen stellen, die umfassen-des Wissen und Erfahrung mit den besten EMV-Praktiken voraussetzen.