Stromversorgung und EMV: Grundlagen, Design und Schutzmaßnahmen

Abbildung 3 zeigt einen Schaltkreiszweig mit einem zusätzlichen Störsignal, das durch einen Widerstandswert dargestellt wird. Der verrauschte Strom in der Schaltung erzeugt eine verrauschte Spannung auf der parasitären Widerstandsbahn, die die Spannung an der ohmschen Last beeinflusst. In diesem Fall kann aus einer idealen Quelle eine verrauschte Quelle werden, weil auf einem gemeinsamen Zweig Rauschen hinzugefügt wird.

Maßnahmen zur Reduzierung von Kopplungsstörungen:

Diese Art der Kopplung kann durch eine Verringerung der Impedanz – und damit des gemeinsamen ohmschen Pfads zwischen zwei Stromkreisen – reduziert werden. Die Auswirkung auf die Spannung an der ohmschen Last ist direkt proportional zur Impedanz der gemeinsamen Leiterbahn.

Wenn Ort und Quelle des Störsignals bekannt sind, kann der Rauschstrom reduziert werden. Dies lässt sich erreichen, indem das Störsignal direkt an der Quelle gedämpft, durch einen Filter entlang seines Wegs zur Störsenke geschwächt oder die Frequenz des Signals reduziert wird. Die Impedanz der gemeinsamen Leiterbahn ist direkt proportional zur Frequenz, da Impedanz frequenzabhängig ist. Die Betriebsfrequenz eines Systems sollte daher so hoch wie nötig und so niedrig wie möglich gewählt werden.

Um eine gemeinsame Leiterbahn zu vermeiden, kann eine Sternpunkttopologie eingesetzt werden, um rauschbehaftete Bereiche vom Lastkreis zu trennen. Die Masseverbindungen werden dabei an einem einzigen Punkt zusammengeführt. Zur Minimierung unkontrollierbarer Kopplung sollten beim Layout sowohl der Vorwärts- als auch der Rückweg berücksichtigt werden. Da ein Design üblicherweise mehrere dieser Pfade enthält, sollte jeder einzeln priorisiert und als aggressiv, empfindlich oder indifferent klassifiziert werden. Die aggressivste Schleife – also jene mit dem höchsten di/dt – sollte möglichst klein gehalten und innerhalb der aggressiven Leiterbahnen am höchsten priorisiert werden.

Das parasitäre Element Ck in Abbildung 4 befindet sich in Schaltungen zwischen benachbarten, parallel verlaufenden Leitungen. Über diese Kapazität, die typischerweise sehr gering ist, können hochfrequente (HF) Signale in andere Komponenten einkoppeln und dabei potenziell Störungen verursachen.

Maßnahmen zur Reduzierung der kapazitiven Kopplung:

1. Kurze Leiterbahnen sind eine wirksame Gegenmaßnahme gegen kapazitive Kopplung, da die Länge der Leiterbahn direkt proportional zur Kopplung zwischen leitenden Strukturen ist. Parallel geführte Leiterbahnen über größere Distanzen sind besonders anfällig für kapazitive Kopplung – dies kann beispielsweise bei einer analogen Messleitung, die parallel zu einer Taktleitung verläuft, zu Problemen führen.
2. Zusätzliche Kondensatoren können bei hochempfindlichen Signalen für Symmetrie sorgen, sodass das Störsignal frühzeitig zurückgekoppelt wird, bevor es zu Beeinträchtigungen kommt.
3. Die kapazitive Kopplung lässt sich außerdem durch Abschirmung mit leitfähigen Materialien reduzieren.
4. Auch eine Verringerung der Signalfrequenz kann kapazitive Kopplung verringern.
5. Bei der Verlegung von Kabeln über größere Strecken sind verdrillte Paare – idealerweise mit zusätzlicher Abschirmung – besonders effektiv, um unerwünschte Kopplungen zu vermeiden.

Stromführende Drähte können über Magnetfelder induktiv gekoppelt werden. Diese Felder können in nahegelegene Metallteile – darunter auch empfindliche Leiterbahnen – einkoppeln und dort Ströme induzieren.

Maßnahmen zur Verringerung der induktiven Kopplung:

1. Wie bei der kapazitiven Kopplung sollten Leiterbahnen, die unterschiedliche Signale führen, nicht parallel verlegt werden, da parallel geführte stromführende Leitungen gegenseitig Ströme induzieren können.
2. Große Schleifen in verrauschten Schaltungen erzeugen starke Magnetfelder. Daher sollten insbesondere die kritischsten Schleifen mit dem höchsten di/dt so klein wie möglich ausgeführt werden. Auch hochempfindliche Schleifen sollten minimiert werden, da größere Schleifen anfälliger für Störungen sind.
3. Um kleine Schleifen zu realisieren, muss der Rückstrompfad stets in das Design einbezogen werden.
4. Leiterbahnen reagieren weniger empfindlich auf hochfrequente Störungen, wenn die Schleifen – und damit auch ihre Impedanzen – klein gehalten werden.
5. Mit sinkender Frequenz nimmt auch die induktive Kopplung ab. Das Design sollte daher mit einer Frequenz arbeiten, die so langsam wie möglich und so schnell wie nötig ist.
6. Magnetfelder lassen sich auch mit nichtleitenden Werkstoffen wie Permalloy oder µ-Metall abschirmen, wie sie häufig in RFID- und NFC-Anwendungen verwendet werden.
7. Zur Abschirmung magnetischer Felder können zudem Ferritplatten an Steuergeräten eingesetzt werden.