EMV, kurz für Elektromagnetische Verträglichkeit, bezeichnet einen Koexistenzzustand, in dem elektronische Geräte in der Lage sind, ihre eigenen Funktionen in derselben elektromagnetischen Umgebung auszuführen. Einfach ausgedrückt ermöglicht EMV, dass elektronische Geräte unabhängig und normal arbeiten, ohne sich gegenseitig zu stören, das heißt, diese elektronischen Geräte können im gesamten System miteinander kompatibel sein. Da EMV durch die Kontrolle von EMI (Elektromagnetische Störung) erreicht wird, entwickelt sie sich zusammen mit einer Reihe von Studien zu EMI, wie etwa Einführung in EMI, Forschung zu EMI, Anti-EMI-Lösungen und EMI-Management.
Grundlagen der EMV
Um die Störungen zwischen digitalen und analogen Signalen zu verringern, müssen Sie zunächst zwei grundlegende Prinzipien der EMV kennen.
Prinzip 1: Die Schleifenfläche der Schaltung sollte MINIMIERT werden.
Prinzip 2: In einem System kann nur eine EINZIGE Bezugsebene angewendet werden.
Sobald Prinzip 1 nicht mehr befolgt wird und Signale eine große Schleifenfläche durchlaufen müssen, entsteht eine große Schleifenantenne. Wenn jedoch Prinzip 2 nicht befolgt wird und zwei Bezugsebenen vorhanden sind, wird eine Dipolantenne erzeugt. Keines der Ergebnisse ist erwünscht.
Mischsignal-PCB-Partitionierungsregeln und Anwendungen
Es wird empfohlen, die digitale Masse und die analoge Masse auf derselben Mixed-Signal-Platine zu trennen, um eine Isolation zwischen ihnen zu erreichen. Trotz der Realisierbarkeit dieser Lösung treten viele latente Probleme auf, die insbesondere in großskaligen Systemen deutlich zutage treten. Das entscheidende Problem liegt darin, dass Leiterbahnen nicht über die Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse hinweg geführt werden können. Werden Leiterbahnen über diese Trennung hinweg geführt, steigen sowohl die elektromagnetische Abstrahlung als auch das Signalübersprechen drastisch an. Die meistenhäufig auftretendes Problem im PCB-Designliegt in EMI-Ereignissen, die durch Signalleitungen verursacht werden, die geteilte Masse- oder Stromversorgungsbereiche überqueren.
Abbildung 1 unten zeigt die oben beschriebene Situation.
Basierend auf dieser Trennmethode müssen Signalleitungen die Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse überqueren. Wie sieht dann der Rückweg des Signalstromkreises aus? Angenommen, die beiden getrennten Massen sind an einem Punkt miteinander verbunden, und unter dieser Bedingung wird durch den Massekreis eine große Schleife erzeugt. Danach,Hochfrequenzschaltungdas Fließen über eine große Schleife führt zur Entstehung einer großen Schleife mit hoher Erdkapazität und erzeugter Strahlung. Wenn ein niederpegeliger Analogschaltkreis über die große Schleife geführt wird, wird er leicht von externen Signalen gestört. Die schlimmste Situation tritt ein, wenn die geteilte Masse mit der Versorgung verbunden wird, wodurch eine extrem große Stromschleife entsteht. Außerdem wird eine Dipolantenne gebildet, wenn die Analogmasse und die Digitalmasse über eine lange Leitung miteinander verbunden werden. Daher sollten Ingenieure den Pfad und die Methode des Rückstromkreises in Mischsignalen kennen.Optimierung des PCB-DesignsViele Ingenieure betrachten jedoch den fließenden Pfad des Signalkreises, ohne über den spezifischen Verlauf der Schaltung nachzudenken. Wenn die Massefläche aufgetrennt werden muss und Leiterbahnen über die Trennstelle geführt werden sollen, kann zunächst eine Einpunktverbindung zwischen den beiden getrennten Masseflächen mit einer Brücke hergestellt werden, sodass unter jeder Signalleitung ein Gleichstrom-Rückstrompfad bereitgestellt wird und eine kleine Schleifenfläche entsteht, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Der Einsatz von optischen Isolationsvorrichtungen oder Transformatoren kann ebenfalls Signale über eine Trennung hinweg übertragen. Bei optischen Isolationsvorrichtungen sind es optische Signale, die die Trennung überbrücken. Bei Transformatoren ist es das Magnetfeld, das die Trennung überbrückt. Eine weitere anwendbare Methode besteht in der Verwendung differentieller Signale. Das Signal fließt in eine Leitung hinein und kehrt über eine andere Signalleitung zurück. Unter dieser Bedingung ist keine Masse als Rückleiter erforderlich.
Die Aufteilung von Partitionen kann in den folgenden drei Fällen angewendet werden:
Umstand 1: Einige medizinische Geräte erfordern einen niedrigen Ableitstrom zwischen der mit Patienten verbundenen Schaltung und dem System.
Umstand 2: Eingänge von bestimmten industriellen Prozesssteuerungsgeräten können mit elektromechanischen Vorrichtungen verbunden sein, die starke Störungen und hohe Leistung aufweisen.
Umstand 3:Leiterplattenlayoutweist bestimmte Einschränkungen auf.
Unabhängige digitale und analoge Spannungsversorgungen sind auf Mixed-Signal-Leiterplatten in der Regel verfügbar, und getrennte Versorgungsebenen können und sollten verwendet werden. Allerdings dürfen Signalleitungen, die sich dicht an Versorgungsebenen befinden, die Trennung zwischen den Versorgungen nicht überqueren, und alle Signalleitungen, die diese Trennung kreuzen, müssen sich in der Nähe von Leiterflächen mit großer Fläche befinden. In einigen Fällen können Probleme mit aufgeteilten Versorgungsebenen vermieden werden, indem die analoge Versorgung als Leiterbahnen auf der Leiterplatte statt nur als Fläche ausgeführt wird.
Masseflächen-Layoutmethode und Anwendungen von Mixed-Signal-PCBs
Um die von digitalen Signalen auf analoge Signale verursachten Störungen zu diskutieren, müssen zunächst die Eigenschaften von Hochfrequenzstrom verstanden werden. Hochfrequenzstrom folgt stets dem Pfad mit der geringsten Impedanz (niedrigster Induktivität) und verläuft direkt unter den Signalen. Infolgedessen fließt der Rückstrom über die umgebende Leiterplattenebene, unabhängig davon, ob es sich dabei um eine Versorgungsebene oder eine Masseebene handelt. In der praktischen Anwendung wird die Masseebene häufig verwendet, wobei die Leiterplatte in einen analogen und einen digitalen Bereich unterteilt wird. Analoge Signale werden innerhalb der analogen Bereiche aller Ebenen geführt, während digitale Signale im digitalen Schaltungsbereich verlaufen. In dieser Situation fließt der Rückstrom der digitalen Signale nicht in die Masse der analogen Signale. Sobald jedoch das Layout digitaler Signale über dem analogen Bereich oder das Layout analoger Signale über dem digitalen Bereich auf der Leiterplatte erfolgt, entstehen Störungen, die von den digitalen Signalen auf die analogen Signale übertragen werden.
Das Auftreten solcher Probleme ergibt sich nicht aus dem Fehlen einer geteilten Masse, sondern aus einer ungeeigneten Anordnung der Digitalsignale. Beim PCB-Design helfen in der Regel der Einsatz von Masseflächen, die Trennung von digitalen und analogen Schaltungen sowie eine sinnvolle Signalanordnung dabei, schwierige Probleme in Bezug auf Layout und Partitionierung zu lösen. Darüber hinaus lassen sich einige potenzielle Probleme, die durch geteilte Masse entstehen können, vermeiden. Daher werden Bauteilanordnung und Partitionierung zu Schlüsselelementen, die die Qualität des PCB-Designs bestimmen. Wenn Layout und Partitionierung ausreichend geeignet sind, wird der Strom in der digitalen Masse auf den digitalen Bereich einer Leiterplatte begrenzt, sodass analoge Signale nicht gestört werden. Das Layout für eine solche Situation muss sorgfältig überprüft und kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die Layoutregeln vollständig eingehalten werden. Andernfalls kann bereits eine ungeeignete Signalleitungsführung zum Ausfall der gesamten Leiterplatte führen.
Wenn die analogen Masse- (AGND) und digitalen Massepins (DGND) eines A/D-Wandlers miteinander verbunden werden, empfehlen die meisten A/D-Wandler-Hersteller, die AGND- und DGND-Pins über möglichst kurze Leitungen mit geringer Impedanz an dieselbe Masse anzuschließen. Das liegt daran, dass diese Pins in den meisten A/D-Wandler-ICs intern nicht verbunden sind und jede externe Impedanz, die mit DGND verbunden ist, dazu führt, dass mehr digitale Störungen über parasitäre Kapazitäten in die analoge Schaltung im IC einkoppeln. Dementsprechend sollten sowohl AGND- als auch DGND-Pins des A/D-Wandlers mit der analogen Masse verbunden werden. Dennoch wirft dies die Frage auf, ob die analoge Masse oder die digitale Masse mit dem Masseanschluss des Entkopplungskondensators der Digitalsignale verbunden werden sollte.
Bei einem System mit nur einem A/D-Wandler lässt sich das oben beschriebene Problem leicht lösen. Bei getrennter Masse werden der analoge Massebereich und der digitale Massebereich unter dem A/D-Wandler verbunden. Wenn diese Methode verwendet wird, sollte die Brücke zwischen den beiden Massen so breit sein wie das IC, und keine Signalleitung sollte die Trennstelle überqueren.
Wenn es um ein System mit einigen A/D-Wandlern geht, zum Beispiel 10, wie sollten wir sie anschließen? Wenn wir der oben beschriebenen Lösung folgen, also die analoge Masse und die digitale Masse jeweils unter dem A/D-Wandler verbinden, entsteht eine Mehrpunktverbindung, sodass die Trennung zwischen analoger Masse und digitaler Masse bedeutungslos wird. Erfolgt der Anschluss nicht auf diese Weise, werden die Anforderungen des Herstellers nicht erfüllt. Die optimale Lösung liegt in der Verwendung einer einheitlichen Masse, die in einen analogen Bereich und einen digitalen Bereich unterteilt ist. Diese Art von Layout erfüllt nicht nur die Anforderungen der IC-Hersteller an analoge und digitale Masse, die eine niedrige Impedanz zwischen ihnen verlangen, sondern vermeidet auch EMV-Probleme wie Schleifenantennen oder Dipolantennen.
Wenn Ingenieure Zweifel an der Anwendung einer einheitlichen Masseführung im PCB-Design haben, kann das Layout auf Basis der Methode der geteilten Massefläche umgesetzt werden. Im Designprozess sollte die Leiterplatte so ausgelegt sein, dass eine Drahtbrücke von weniger als 0,5 Zoll oder ein 0-Ohm-Widerstand zur Verbindung der getrennten Masseflächen eingesetzt werden kann. Es ist besonders auf die Partitionierung und das Layout zu achten, um sicherzustellen, dass keine digitalen Signalleitungen über dem Analogbereich geführt werden und umgekehrt. Außerdem darf keine Signalleitung über eine Masse-Trennung oder über getrennte Versorgungsebenen geführt werden.
Um die Funktionen der Leiterplatte und ihre EMV zu testen, sollten die beiden Masseflächen über einen 0-Ohm-Widerstand oder eine Drahtbrücke verbunden und anschließend die Funktionen der Leiterplatte sowie ihre EMV erneut getestet werden. Der Ergebnisvergleich zeigt, dass in allen Fällen die Lösung mit einheitlicher Masseführung der Lösung mit geteilten Masseflächen hinsichtlich Funktion und EMV überlegen ist.
Mixed-Signal-Leiterplattendesignist ein komplizierter Prozess. Eine Leiterplatte sollte in unabhängige analoge und digitale Bereiche unterteilt werden, und der A/D-Wandler sollte über den Bereichen platziert werden. Um analoge und digitale Versorgungsspannungen zu trennen, dürfen Trennungen zwischen isolierten Versorgungsebenen nicht überquert werden, und Signalleitungen, die überquert werden müssen, sollten auf der Schaltungsebene geführt werden, die an eine große Fläche angrenzt. Es sollte analysiert werden, wo der Rückstrompfad verläuft und wie er verläuft, sodass eine geeignete Bauteilanordnung und die Einhaltung korrekter Layoutregeln gewährleistet sind. In allen Lagen einer Leiterplatte dürfen digitale Signale nur in digitalen Bereichen verlegt werden, während analoge Signale nur in analogen Bereichen verlegt werden dürfen.
Masseflächen-Layoutmethode und Anwendungen von Mixed-Signal-PCBs
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Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ermöglicht es elektronischen Geräten, ohne Störungen synchron nebeneinander zu existieren, was in der Mixed-Signal-Leiterplattengestaltung von entscheidender Bedeutung ist. Durch den Einsatz von Methoden wie der Verkleinerung der Flächen von Stromschleifen und der Verwendung einzelner Referenzebenen können Ingenieure unerwünschte elektromagnetische Effekte wirksam minimieren. Eine effektive Aufteilung der analogen und digitalen Bereiche sowie durchdachte Masseflächendesigns isolieren Übersprechen und Störgeräusche und verbessern so die Signalintegrität und die Systemleistung.
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Hilfreiche Ressourcen
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•Sicherstellung eines erfolgreichen ersten Durchlaufs im PCB-EMV-Design
•Einfluss des PCB-Layouts auf die EMV-Leistung elektronischer Produkte
•Probleme der Anwendung der EMV-Technologie im PCB-Design elektronischer Geräte und entsprechende Strategien
