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www markttechnik de Nr 43 2022 16 Fokus|PCB-Design EMI aufgrund der von der Baugruppe abgestrahlten Hochfrequenzenergie Wenn große Teile der erforderlichen Kapazität fehlen können auch Logikfehler auftreten Um die Ursache dieses Problems zu verstehen bietet es sich an zu untersuchen was passiert wenn Signale mit hoher Datenrate von einer logischen 0 zu einer logischen 1 wechseln Die meisten CMOS-Logiksignale werden wie in Bild 2 dargestellt mit einem in Reihe geschalteten Widerstand zur Impedanzanpassung übertragen Wenn ein logischer Zustand von 0 auf 1 wechselt ist Strom oder Ladung aus der Stromversorgung erforderlich Bild 3 zeigt den Spannungsverlauf am Treiberausgang rot und an der Last bzw am Eingang gelb für die in Bild 2 gezeigte Schaltung Wenn das 1-Signal über die Übertragungsleitung läuft wird die parasitäre Kapazität der Übertragungsleitung auf U Bgeladen indem Ladung von der Kapazität der Stromversorgung auf die Leitungskapazität übertragen wird Das Diagramm in Bild 4 unten zeigt den zeitlichen Verlauf des Stroms den die Stromversorgung liefern können muss Um zu verstehen aus welchen Frequenzanteilen sich der in Bild 4 gezeigte Stromverlauf zusammensetzt muss die Darstellung vom Zeitbereich in den Frequenzbereich übertragen werden Bild 5 zeigt eine Fourier-Transformation der Signale für die Schaltung aus Bild 2 mit einer Taktfrequenz von 30 MHz Der rote Signalverlauf in Bild 5 oben ist der Stromverlauf wobei die positiv verlaufende Auslenkung die Stromentnahme aus der Stromversorgung beim Umschalten von 0 auf 1 und die negativ verlaufende Auslenkung die Entladung der parasitären Kapazität der Leitung beim Umschalten von 1 auf 0 darstellen Es gilt zu beachten dass die erste Frequenz ca 85 MHz Bild 5 unten beträgt Es handelt sich nicht um eine Harmonische der 30-MHz-Taktfrequenz und es gibt keine Harmonischen der 30-MHz-Taktfrequenz im Spektrum Traditionelle EMI-Regeln legen nahe dass EMI eine Funktion der Taktfrequenz ist aber die Transformation in Bild 5 zeigt dass dies nicht zutrifft Die Ereignisse die dem Frequenzspektrum in Bild 5 zugrunde liegen sind folgende • Die niedrigste Frequenz im Spektrum wird durch die Umlaufzeitverzögerung der Übertragungsleitung festgelegt • die höchste Frequenz durch die Anstiegszeit des Signals Entwickler die schon einmal EMI-Störungen erlebt haben erkennen vielleicht das Spektrum in Bild 5 Der Grund dafür ist dass wenn die Kapazität der Stromversorgung nicht in der Lage ist diese Ladung zu liefern es mit diesem Frequenzspektrum zu Spannungsschwankungen Welligkeit bei der Versorgungsspannung U Bkommt Jeder CMOS-Ausgang der eine logische 1 ausgibt schaltet seine Übertragungsleitung an U Bdaher erscheinen diese Variationen auf der Übertragungsleitung Wenn diese Leitung aus dem Gerät herausführt dient sie ganz einfach als Antenne strahlt Energie in den Raum ab und verursacht so die EMI-Störung Bild 3 Veränderung eines Signals durch die Übertragungsleitung entsprechend der Schaltung von Bild 2 – gelb das gesendete Signal rot das am Empfänger ankommende Signal Bild Speeding Edge Bi ld Spe ed in g Ed ge Bild 4 Verlauf von Spannung oben und Strom unten beim Übergang von logisch 0 zu logisch 1 für die Übertragungsstrecke nach Bild 2 Die Lösung des EMI-Problems Das Power Distribution System PDS muss neu konzipiert werden wenn ein EMI-Problem wie das zuvor beschriebene auftritt Dies bedeutet dass dem PDS Kondensatoren mit ausreichender Kapazität hinzugefügt werden müssen sodass die Spannungsschwankung Welligkeit beim Entnehmen von Ladung zur Unterstützung der Schaltaktivität klein genug ist um das EMI-Problem zu beseitigen Wenn ein System hinsichtlich EMI versagt ist dies ein Zeichen dafür dass die Stromversorgung nicht über genügend Kondensatoren verfügt um die Schaltvorgänge im Normalbetrieb zu unterstützen Die Frequenz bei der ein Kondensator als Ladequelle nützlich ist wird durch seinen Wert und die inhärente parasitäre Induktivität für den Anschluss an das PDS bestimmt Unser Problem besteht darin dass alle echten Kondensatoren in einem schmalen Frequenzband definiert sind das durch die ihrem Aufbau inhärente parasitäre Induktivität begrenzt ist Zu dieser parasitären Induktivität wird Induktivität addiert die durch den Anschluss dieser Kondensatoren an die Leistungslagen im PDS gebildet wird Bild 6 zeigt die Ersatzschaltung eines typischen Kondensators Es gilt zu beachten dass drei Komponenten beteiligt sind ESL ist die äquivalente Serieninduktivität des Kondensators – zu der die Induktivität des Gehäuseaufbaus addiert werden muss ESR ist der äquivalente Serienwiderstand des Kondensators und seines Gehäuseaufbaus und Cist der Kondensator selbst Diese Kombination wird häufig auch als Serienschwingkreis bezeichnet Den Impedanzverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt Bild 7 Zu beachten ist dass sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen die Impedanz sehr hoch ist Der untere Teil der Kurve wird als Reihenresonanz bezeichnet Bei der einen Frequenz heben sich die Blindwiderstände der Induktivität und der Kapazität gegenseitig auf und die resultierende Impedanz ist