Wie vermeidet man EMC-Probleme beim PCB-Design?

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) ist ein entscheidender Faktor im modernen Elektronikdesign. Er bezieht sich auf die Fähigkeit elektronischer Geräte, in einer elektromagnetischen Umgebung ordnungsgemäß zu funktionieren, ohne elektromagnetische Interferenzen zu erzeugen (EMI), die sich auf andere Geräte auswirkt.

FS Technik wird sich mit EMC- und EMI-Fragen auf der PCB-Design Dies ist die effektivste und kostengünstigste Methode, um Ihre Systemausrüstung auf EMV-Niveau zu bringen.

EMC verstehen

Als nächstes werden wir die Bedeutung der EMV bei Leiterplatten besprechen.

Was ist EMC bei PCB?

Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet, dass elektronische Geräte in der vorgesehenen Umgebung nicht durch die elektromagnetische Umgebung in der Nachbarschaft beeinträchtigt werden, verloren gehen oder beschädigt werden. Darüber hinaus erzeugen die elektronischen Geräte keine übermäßige elektromagnetische Energie, die den normalen Betrieb benachbarter Geräte beeinträchtigen könnte.

EMC besteht aus zwei grundlegenden Aspekten: elektromagnetische Interferenz (EMI) und elektromagnetische Störfestigkeit (EMS).

Die Identifizierung der Quelle elektromagnetischer Störungen kann Ihnen dabei helfen, vernünftige Erdungs-, Abschirmungs- oder Leiterplatten-Layout-Strategien zu implementieren und EMV-Probleme bei Leiterplatten zu begrenzen. So stellen Sie sicher, dass elektronische Geräte in jeder Umgebung koexistieren können, ohne sich gegenseitig in ihrer Leistung zu stören.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten EMV-Normen für bestimmte Branchen zusammengefasst:

Standard	Beschreibung
IEC 61000-6-1	Immunität für Haushaltsgeräte
IEC 61000-6-2	Störfestigkeit für industrielle Geräte
IEC 61000-6-3	Grenzwerte für Emissionen in Wohngebieten
IEC 61000-6-4	IEC 61000-6-2
CISPR 32	Grenzwerte für Multimedia-Geräte
IEC 60601-1-2	Sicherheitstests für elektrische medizinische Geräte
MIL-STD-461	U.S.-Norm für EMV-Anforderungen in militärischen Anwendungen
FCC Teil 15	U.S. Vorschriften für unbeabsichtigte Emissionen von elektronischen Geräten.

FS Tech erfüllt alle IEC-Anforderungen, die für Ihre Branche relevant sind. Wir helfen Ihnen also, die Qualität Ihrer Produkte zu verbessern.

Was ist EMI in PCB?

EMI ist das Phänomen, dass elektromagnetische Wellen von einem Gerät ein anderes Gerät durch Strahlung oder Leitung beim PCB-Design stören. Es handelt sich um den Prozess, bei dem destruktive elektromagnetische Energie von einem elektronischen Gerät auf ein anderes übertragen wird, und umfasst in der Regel Hochfrequenzsignale (RF) und andere elektromagnetische Wellen in diesem Frequenzbereich.

EMI ist elektromagnetische Energie, die von jeder vom Menschen hergestellten Elektronik freigesetzt wird. Sie stört kritische Komponenten auf der Leiterplatte und beeinträchtigt elektronische Systeme erheblich. Dies kann in elektromagnetischen Umgebungen gefährliche Folgen haben.

Krankenhausgeräte wie MRTs erzeugen starke elektromagnetische Felder (EMFs), die EMI in den Leiterplatten anderer Geräte verursachen können. medizinische Geräte, die das Leben von Patienten gefährden können, wie z.B. Herzschrittmacher. Andere häufige EMI-Quellen sind Mikrowellen, Fernsehgeräte, Radios und Stromgeneratoren, die Signale stören und die Elektronik zum Absturz bringen können.

Verwenden Sie Techniken zur elektromagnetischen Verträglichkeit, um EMI in Leiterplatten zu kontrollieren. EMV in Leiterplatten trägt dazu bei, dass alle Geräte ordnungsgemäß funktionieren und die Normen der IEC 61000-Serie erfüllen, die eine Begrenzung der EMI-Emissionen und eine Verbesserung der Störfestigkeit der Geräte vorschreiben.

Die Einhaltung dieser Normen gewährleistet die behördliche Zulassung und die Herstellung langlebiger Elektroprodukte.

Standard	Beschreibung
IEC 61000-3-2	Begrenzt Wellenformverzerrungen aus dem Hauptstromnetz
IEC 61000-3-3	Begrenzt Flimmern und Schwankungen in Niederspannungsanlagen
IEC 61000-4-2	Testet die Immunität gegen elektrostatische Entladungen (ESD)
IEC 61000-4-3	Testet die Immunität gegen elektromagnetische Energie

Viele Branchen haben spezifische Vorschriften, die auf ihren unterschiedlichen elektromagnetischen Umgebungen basieren. Für die Leiterplatte eines medizinischen Geräts sind die EMI/EMV-Richtlinien relativ strikt. Die Norm IEC 60601 bietet einen Rahmen, der sicherstellt, dass Patienten und Gesundheitsdienstleister vor den Gefahren medizinischer Geräte geschützt sind.

FS Tech hat alle Tests bestanden und bewiesen, dass wir EMI und EMC beim Leiterplattendesign vollständig beherrschen, so dass Sie uns Ihr Projekt anvertrauen können.

Was ist EMS in PCB?

Elektromagnetische EmpfänglichkeitDer Begriff EMS bezeichnet die Fähigkeit elektronischer Geräte, unter dem Einfluss externer elektromagnetischer Störungen ordnungsgemäß zu funktionieren. Es ist ein wichtiger Indikator zur Bewertung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Produkts in der elektromagnetischen Umgebung. Der Zweck eines EMS-Tests ist es, die Leistung des Geräts zu gewährleisten, wenn es einer bestimmten elektromagnetischen Störung ausgesetzt ist, um die Sicherheit des Benutzers und die Zuverlässigkeit des Produkts zu schützen.

Der EMS-Test bewertet hauptsächlich die Leistung und Stabilität des Geräts, wenn es externen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt ist.

Tipps zur Lösung von PCB-EMC-Problemen

Hier finden Sie einige praktische Tipps für das EMV-Management auf Ihrer Leiterplatte, um ein modulares Design zu erreichen.

1. Layout der Signalleitungen

Ein ordentliches Layout der Signalleitungen auf der Leiterplatte trennt die Signalwege, um Interferenzen zu minimieren. Fassen Sie die gleiche Art von Signalen zusammen und leiten Sie sie parallel zueinander. Das bedeutet, dass analoge und digitale Signale zusammen verlaufen, ohne sich zu kreuzen.

Beim Umgang mit Hochgeschwindigkeitssystemen wie HDMIUSB, Ethernet und PCI Express verwenden die differentielle Signalisierungsmethode. Sie reduziert elektromagnetische Emissionen, indem ein invertiertes Signalpaar über getrennte Leitungen gesendet wird.

Der Empfänger vergleicht dann die beiden Signale, extrahiert die relevanten Daten und löscht das Gleichtaktrauschen aus. Diese Technik ist besonders nützlich, wenn Sie Daten mit höheren Geschwindigkeiten übertragen möchten.

2. Überlegungen zum Rückstrom

Stellen Sie sicher, dass die Stromrückleitungen so kurz und direkt wie möglich sind. Lange und schmale Rückleitungen erhöhen die Induktivität und die EMI. Verwenden Sie große oder mehrere Boden Ebenen, um eine stabile Referenz für Signale zu liefern.

Eine durchgehende Ebene mit minimalen Masseschleifen verringert das Risiko von Prellungen. Das ist ein häufiges Problem bei Hochgeschwindigkeitsdesigns wenn schwankende Ströme mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zum Boden zurückkehren. Sie sollten den Boden zur gleichen Zeit erreichen.

Dies kann erreicht werden, indem die Masseebenen in der Nähe von Hochgeschwindigkeits-Signalebenen platziert und die Rückwege kurz gehalten werden.

3. die Verkürzung der Anstiegs- und Abfallzeiten

Verringern Sie die Anstiegs-/Abfallzeit des Signals, indem Sie Komponenten mit geringer Kapazität verwenden und die Impedanz mit Übertragungsleitungen anpassen. Wenn die Impedanz der Last und der Übertragungsleitungen unterschiedlich ist, führt dies zu Reflexionen der Signale.

Diese Reflexionen führen zu Oszillationen in der Wellenform, die als Ringing bezeichnet werden. Sie führen dazu, dass das Signal zur Quelle zurückprallt, anstatt sich sauber zur Last zu bewegen. Reihenwiderstände können dazu beitragen, die Signalflanken zu verlangsamen, wodurch Ringing und Bouncing vermieden werden.

Berechnen Sie sorgfältig die Breite und den Abstand der einzelnen Leiterbahnen, um eine gleichmäßige Impedanz in der gesamten Schaltung zu erhalten.

4. die Handhabung von Übertragungsleitungen

Lange Leiterbahnen auf der Leiterplatte wirken wie Übertragungsleitungen. Verlegen Sie sie weg von Signalleitungen, insbesondere von analogen, um das Übersprechen zu reduzieren. Die Störung durch elektromagnetische Felder von schnellen Signalen, die in lange Leiterbahnen eindringen, wird als Kopplung bezeichnet. Sie tritt auf, wenn Übertragungsleitungen (lange Leiterbahnen) parallel zu Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen verlaufen.

Dies ist problematisch für Designs, bei denen analoge und digitale Signale nebeneinander bestehen müssen. Der schnelle Übergang von digitalen Signalen verursacht Spannungsspitzen in analogen Spuren, was zu Fehlern bei der Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandlung führt.

5. Länge der Taktlinie

Halten Sie alle Taktleitungen gleich lang, um Zeitfehler zu vermeiden, wenn die Signale die Komponenten nicht gleichzeitig erreichen. Auf diese Weise erreichen alle Taktsignale ihr Ziel zur gleichen Zeit, was Zeitverzögerungen und mögliche Fehlfunktionen verhindert.

In Hochgeschwindigkeitsschaltungen moderner Geräte ist ein präzises Timing erforderlich. Wenn die Signale jittern (zu unterschiedlichen Zeiten an der Last ankommen), können sich die Signalflankenraten dramatisch verschieben. Dies führt zu Fehlern in zeitkritischen Prozessen wie der Datenübertragung.

Übermäßiges Jittering kann die Daten verfälschen, die Funktion des Geräts stören oder es sogar irreparabel beschädigen. Verwenden Sie PCB-Layout-Techniken wie Mäander- oder Serpentinen-Routing, um eine gleichmäßige Länge der Taktleitungen zu gewährleisten.

Diese Techniken fügen kürzeren Spuren zickzack- oder schlangenartige Muster hinzu, damit sie der Länge längerer digitaler Signalspuren entsprechen.

6. Bodenverlegung

Die Erdung schirmt die Leiterplatte vor EMI ab und gewährleistet einen reibungslosen Betrieb. Eine gemeinsame Masse für alle Signale verringert das Risiko von Interferenzen und Fehlern weiter. Die übliche Strategie besteht darin, Masseflächen in der Nähe jeder Signalebene zu platzieren, damit die Ströme sicher zurückfließen können.

Dieses Erdungslayout schützt vor Rauschkopplung und Erdungssprüngen. Rauschkopplung tritt auf, wenn Signalleitungen nahe beieinander liegen, so dass EMI von einer zur anderen springen kann. Ground Bounce hingegen ist die Strafe für einen möglichen Fehler.

Er tritt auf, wenn die Masseflächen nicht durchgängig sind und die Spannungen aufgrund eines schlechten Rückkanals schwanken können. Ground Bounce verursacht Signal-Timing-Fehler. USB 3.0 zum Beispiel überträgt Daten mit hoher Geschwindigkeit. Wenn es nicht genügend Masseflächen gibt, werden die Daten unterbrochen und in manchen Fällen sogar beschädigt.

8. Abschirmung und Kapselungsdesign

Abschirmung und Verkapselung verbessern EMI und EMC beim PCB-Design. Abschirmung bedeutet, dass eine leitende Barriere wie Metall um die Komponenten herum angebracht wird, um EMI zu blockieren. Diese Barriere leitet elektromagnetische Wellen ab, wenn sie versuchen, in den geschützten Bereich einzudringen oder aus ihm zu entkommen.

Verkapselung hingegen bedeutet, dass eine nicht leitende Barriere (Kunststoff oder Harzmischungen) über die Leiterplatte gelegt wird. Diese Barriere dient nicht dazu, Strom zu leiten, sondern schützt vor physischen Stößen, Feuchtigkeit und Umweltfaktoren, die die Leiterplatte beeinträchtigen können.

9. Kabelmanagement

Die Verwaltung der Kabelinfrastruktur ist entscheidend für ein erfolgreiches EMV-Design. Eine ordnungsgemäße Verlegung und Abschirmung Ihrer Kabel führt dazu, dass weniger EMI auf die Leiterplatte geleitet wird. Verlegen Sie Kabel nicht in der Nähe von Komponenten und verlegen Sie sie getrennt von Stromleitungen und Signalbahnen.

Schirmen Sie die Kabel ab, um EMI einzudämmen und zu verhindern, dass es zu Unterbrechungen kommt. PCB-Komponenten. Vermeiden Sie Schleifen beim Verlegen von Kabeln, da diese EMI anziehen und abstrahlen. Verdrillte Kabel helfen dabei, externe Störungen zu vermeiden.

10. Pre-Compliance-Tests

Pre-Compliance-Tests sparen Zeit und Ressourcen, da sie EMI- und EMV-Probleme bei Leiterplatten frühzeitig erkennen. Sie können vor dem endgültigen Konformitätstest noch Anpassungen an Ihrem Design vornehmen. Die meisten PCB-Ingenieure verfügen bereits über die idealen Werkzeuge und Techniken, aber einige Pre-Compliance-Tests erfordern spezielle Geräte.

Die Prüfung umfasst die Messung von Strahlungsemissionen, Störfestigkeit, elektrostatischer Entladung (ESD), und leitungsgebundene Emissionen. Richten Sie ein kleines firmeninternes Testlabor ein, um während der Entwurfsphase Kontrollen durchzuführen.

11. Verwendung des Simulationstools

Simulationstools helfen den Designern auch, Probleme zu erkennen, noch bevor die Leiterplatte hergestellt wird. Sie können Ihr Design einfach mit einer Software simulieren, um zu prüfen, wie sich die EMV verhält, damit Sie bei Bedarf Anpassungen vornehmen können.

Software wie Altium Designer, KiCAD oder OrCAD sind die beliebtesten PCB-Simulationstools im Jahr 2024. Wenn Sie mit großen Projekten zu tun haben, können Sie entweder Altium Designer oder OrCAD verwenden. Beide bieten fortschrittliche Simulationen und umfangreiche Bibliotheken, um komplexe Vorgänge effizient zu bearbeiten.

Für kleine Unternehmen oder einzelne Designer ist KiCAD die bevorzugte Option. Es handelt sich um eine Open-Source-Plattform mit einer unterstützenden Community. Sie können es kostenlos für private oder pädagogische Zwecke nutzen.

12. Iterativer Entwurfsprozess

Eine erfolgreiche PCB-Design ist das Ergebnis eines iterativen Prozesses des Entwerfens, Testens und Verfeinerns. Weiter zu aktualisieren Sie Ihr PCB-Layout basierend auf den Ergebnissen von Tests und sogar neuen Erkenntnissen. Es gibt immer Raum für Verbesserungen, wenn es um Elektronik geht.

Verwenden Sie die Ergebnisse aus Ihrem Testen Sie und Simulation, um sicherzustellen, dass es nichts weiter zu tun gibt. In der Regel handelt es sich dabei um kleinere Anpassungen wie die Überprüfung der Platzierung von Komponenten, der Leiterbahnbreite und der Masseschichten.

Wenn Sie ein Design überarbeiten, testen Sie es erneut, um zu sehen, ob die Änderungen zu Verbesserungen geführt haben. Prüfen Sie die Leiterplatte immer wieder, bis sie optimal ist.

Prüfung und Validierung

Pre-Compliance-Tests und die laufende Überwachung sind die besten Methoden, um Ihre Leiterplatten und EMV im Hinblick auf praktische Anwendungen zu bewerten. Die vier Tests - gestrahlte Emissionen, gestrahlte Störfestigkeit, ESD und leitungsgebundene Emissionen - helfen dabei.

Abgestrahlte Emissionen können mit einem speziellen Gerät, dem Spektrumanalysator, gemessen werden. Er erkennt EMI, indem er alle hohen, mittleren und niedrigen Frequenzen abtastet. Dieses Gerät ist jedoch recht teuer, so dass Designer normalerweise USB-Spektrumanalysatoren verwenden. Sie sind kostengünstig, kompakt, tragbar und erledigen die Aufgabe mit der Rechenleistung des Computers.

Die Strahlungsimmunität bewertet, wie gut das Gerät mit Ihrer Leiterplatte auf EMI reagiert. Setzen Sie das Gerät einer Mobiltelefon um festzustellen, ob es Leistungsprobleme gibt. Führen Sie den Test innerhalb des elektromagnetischen Feldes durch, um genaue Ergebnisse zu erhalten.

Der ESD-Test prüft, ob das Gerät statischen Entladungen widerstehen kann, die von nahegelegener Elektronik oder menschlichem Kontakt ausgehen können. Senden Sie kontrollierte Entladungen an verschiedene Teile des Geräts, um sicherzustellen, dass es nicht durch versehentliche Funkenbildung zu einer Fehlfunktion kommt.

Stellen Sie schließlich sicher, dass die Anschlüsse und Kabel des Geräts keine unerwünschten elektrischen Signale aufweisen, die Rauschen erzeugen. Dies sind leitungsgebundene Emissionen, die andere an das Netz angeschlossene Geräte stören. Messen Sie diese Emissionen, um sicherzustellen, dass die EMI unter dem von Ihrer Branche festgelegten Grenzwert liegt.

Für Unterhaltungselektronik beginnt der durchschnittliche Grenzwert (dBuV) bei 56 bis 46 für 0,15 bis 30,0 Frequenzbereiche (Mhz).

Fazit

Wir betonen die Rolle der EMV in modernen PCB-Designs, um die strengen Industriestandards zu erfüllen. Die Zukunft sieht jedoch mit der Integration von KI und 3D-Leiterplatten faszinierend aus.

KI hat das PCB-Design revolutioniert indem Sie bei der Montage helfen. Sie können es verwenden, um Daten von Sensoren in modernen Geräten zu sammeln. Algorithmen des maschinellen Lernens in der KI analysieren diese Daten, um vorausschauende Wartung, Lieferkettenoptimierung, Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung zu automatisieren.

3D-gedruckte PCBs stellen auch eine bedeutende Innovation im Designprozess dar. Sie können komplexe Geometrien erstellen, die sonst vielleicht nicht möglich wären. Wenn sich beide Technologien synchron entwickeln, wird es einfacher sein, EMV-Probleme zu lösen.

Wenn Sie auf der Suche nach kostengünstigen PCB/PCBA-Dienstleistungen sind, Kontaktieren Sie uns um mit Ihrem Projekt zu beginnen.

Wir würden uns freuen, von Ihnen zu hören