Elektromagnetische Störungen EMI-arme Designs für isolierte ADC-Signalketten

Elektronische Schaltungen müssen vor elektromagnetischen Störgrößen geschützt werden. Ebenso dürfen die Schaltungen selbst keine Störungen emittieren. Zur Einhaltung der EMV-Normen muss sich der Schutz über vier Ebenen erstrecken: die Bauteil-, Leiterplatten- und die System-Ebene sowie das übergeordnete System.

Die schiere Menge der heutzutage in Gebrauch befindlichen elektronischen Geräte hat zusammen mit deren fortlaufender Miniaturisierung zur Folge, dass elektromagnetische Störungen (Electromagnetic Interference, EMI) für Schaltungsentwickler ein beträchtliches Problem darstellen. Schaltungen für Kommunikations-, Rechen- und Automatisierungsanwendungen müssen in unmittelbarer Nähe zueinander funktionieren [1], und überdies müssen die Produkte die staatlichen Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erfüllen. In nahezu jedem Land gibt es EMV-Regelwerke für elektronische Produkte, die innerhalb seiner Grenzen in den Markt gebracht oder verkauft werden.

In den USA reguliert die Federal Communications Commission (FCC) sämtliche kommerziellen, d. h. nichtmilitärischen Quellen elektromagnetischer Strahlung [2] und definiert die Prüfprozeduren für abgestrahlte und leitungsgeführte elektromagnetische Störgrößen in Normen wie der C63.4 [3] des American National Standards Institute (ANSI).

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Die Länder der Europäischen Union (EU) regulieren sowohl die elektromagnetischen Störaussendungen als auch die Störbeständigkeit elektronischer Geräte. Die EMV-Richtlinie der EU [4] besagt im Prinzip, dass Geräte die harmonisierten EMV-Normen erfüllen müssen und entsprechend zu prüfen und zu kennzeichnen sind.

Es gibt eine große Zahl von EMV-Normen für unterschiedliche Arten von Geräten. Die 61000-Normen der International Electrotechnical Commission (IEC) zum Beispiel decken die Störbeständigkeits-Anforderungen der meisten kommerziellen Produkte ab, während die Norm CISPR 32 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) Grenzwerte für leitungsgeführte und abgestrahlte Störgrößen spezifiziert [5].

In Tabelle 1 sind die Normen von CISPR, EU und FCC für die einzelnen Produktsektoren aufgeführt. Viele weitere Länder außerhalb der USA und der EU verlangen entweder die Einhaltung der EMV-Vorschriften von FCC oder EU oder haben eigene Anforderungen spezifiziert. Häufig ähneln die außerhalb der USA und Europas geltenden Regelwerke jedoch den entsprechenden FCC- und EU-Richtlinien [6].

Noch deutlicher wird die Notwendigkeit eines niedrigen EMI-Niveaus bei der Betrachtung bestimmter Gerätetypen. Intelligente Stromzähler (Smart Meter) etwa sind eine entscheidende Komponente für die Verteilung elektrischer Energie in der Zukunft. Sie stellen den Energieversorgungs-Unternehmen (EVUs) sowie den Endverbrauchern Echtzeit-Verbrauchsdaten zur Verfügung, damit die Nutzer ihren Verbrauch koordinieren können und eine Fernablesung möglich ist.

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Die meisten Smart Meter kommunizieren drahtlos [7] entweder per Wireless M-Bus oder ZigBee oder aber über das Mobilfunknetz (GSM, LTE cat NB1- NB2, 2G/3G/5G). Ein smarter Stromzähler enthält einen Funksender, der meist zusammen mit der Energiezählerplatine in einem Gehäuse untergebracht ist (Bild 1). Wichtig ist hier das Minimieren der abgestrahlten Störgrößen aus der Messschaltung, um die meist mit Frequenzen von beispielsweise 800, 900, 1.800, 2.100 oder 2.700 MHz arbeitende Funk-Kommunikation nicht zu stören.

Überdies muss die Messschaltung ihrerseits beständig gegen eingestrahlte Energie aus der drahtlosen Kommunikation sein, damit es zu keiner fehlerhaften Rechnungsstellung kommt, wenn Störgrößen in das empfindliche, zur Energiemessung dienende Frontend einstrahlen.

Der vorliegende Beitrag erläutert die Quellen elektromagnetischer, insbesondere abgestrahlter Störgrößen und stellt einige Techniken zur EMI-Minimierung bei analogen Signalketten vor – darunter detaillierte Layoutbeispiele und Messergebnisse.

Quellen leitungsgeführter und abgestrahlter Störbeeinflussungen

Elektromagnetisch verträglich ist ein elektrisches System, wenn es in der Gegenwart elektromagnetischer Störgrößen einwandfrei funktioniert und seinerseits keine Störgrößen, die die Grenzwerte der einschlägigen Norm übersteigen, an die Umgebung abgibt [1].

Elektromagnetische Störgrößen können entweder abgestrahlt oder leitungsgeführt sein. Im ersten Fall pflanzen sie sich in Form von Funkwellen fort und werden auch als Funkstörungen bezeichnet. Bei leitungsgeführten Störgrößen handelt es sich dagegen um magnetische Felder, die durch Ströme in Signal- oder Stromversorgungskabeln hervorgerufen werden.

In dem vorliegenden Artikel geht es hauptsächlich um das Minimieren abgestrahlter Störgrößen. Auf einer Leiterplatte oder in einer darauf befindlichen integrierten Schaltung kommen primär die folgenden Quellen abgestrahlter Störgrößen zum Tragen:

• Geschaltete Signale (z. B. Taktsignale) mit steilen Spannungsflanken beim Wechsel des digitalen Zustands. Ursächlich sind die hochfrequenten Komponenten der Signale. Schalt- und Taktsignale sind entscheidend zum Synchronisieren verschiedener Funktionsabschnitte in einem oder mehreren ICs.

• Schaltregler und andere Komponenten, die schnelle Änderungen der Stromstärke in Stromversorgungs-Leitungen bewirken.

• I/O-Puffer insbesondere für USB, HDMI oder Ethernet, bedingt durch die dabei auftretenden steilen Signalflanken.

• Oberschwingungen infolge des nichtlinearen Verhaltens interner Schaltungen von ICs bei Frequenzen oberhalb der Grundschwingung.

• Parasitäre Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände in den Verbindungen und Strukturen von ICs.

• ESD-Ereignisse (elektrostatische Entladungen), die zum Ansprechen von ESD-Schutzschaltungen führen.

In Bild 2 ist der galvanisch isolierte A/D-Wandler (ADC) des Typs AMC131M03 zu sehen [8], mit einer Kennzeichnung der wichtigsten, aus seiner internen Architektur und den Verbindungen auf der Leiterplatte resultierenden Quellen abgestrahlter Störgrößen. Der ADC wird in einer Dreiphasen-Energiezähleranwendung eingesetzt, wobei Bild 2 nur die Schaltungen für eine der drei Phasen (Phase A) zeigt. Die Signalkette soll Spannungs- und Strom-Messwerte zur Energieüberwachung liefern [8]. Kanal 0 des ADC misst deshalb mithilfe eines Shunt-Widerstands den Phasenstrom, Kanal 1 dagegen über einen Widerstandsteiler die Phasenspannung [8].

Die bedeutendste Störquelle ist der interne getaktete Gleichspannungswandler (in Bild 2 mit a bezeichnet), der die isolierte Stromversorgung für die Hochvolt-Seite erzeugt. Die zweitwichtigste Quelle abgestrahlter Störgrößen ist die Digitalisolation (in Bild 2 mit b bezeichnet), da diese mithilfe hochfrequenter Ein-Aus-Tastung über eine Stacked-Capacitor-Barriere implementiert ist [8, 9]. Zusätzlich emittieren Taktsignale Abstrahlungen in einem weiten Frequenzbereich. Beispiele sind der ADC-Modulatortakt CLK_IN(c in Bild 2) sowie die digitale Kommunikationsschnittstelle zwischen ADC und Mikrocontroller (d in Bild 2).

Neun Techniken zur EMI-Minimierung

Für die EMI-Minimierung gibt es eine ganze Reihe gängiger Techniken [1, 10 und 11]: Dazu zählen die Masseverbindung, Platzierung der Bauelemente, Leiterbahnen, Entkoppel-Kondensatoren, Impedanzkontrolle, Schirmung, Filter, Lagenaufbau und Oberschwingungen.

Ordnungsgemäße Masseverbindung: Dies ist eine der wirksamsten Möglichkeiten zur Eindämmung abgestrahlter Störgrößen. Sorgfältig platzierte Masseverbindungen können das Entstehen von Masseschleifen verhindern, die wie Antennen wirken können. Masseflächen können außerdem dazu beitragen, die von Schleifen umschlossenen Flächen zu verkleinern, einen Rücklaufweg für Signale zu bieten und das EMI-Risiko zu senken. In anderen Fällen allerdings können Masseflächen an empfindlichen Knoten wie Antennen wirken und die abgestrahlten Störgrößen dadurch sogar erhöhen (siehe das Beispiel in Bild 5).

Platzierung der Bauelemente: Besonders bei hochfrequenten Signalen sollten die Bauelemente so angeordnet werden, dass die Signal-Leiterbahnen möglichst kurz sind. Digitale und analoge Bauteile sind außerdem so zu separieren, dass Störbeeinflussungen zu vermieden werden.

Verwendung möglichst gerader und kurzer Leiterbahnen: Das EMI-Risiko lässt sich minimieren, wenn Leiterbahnen für hochfrequente Signale vorzugsweise gerade und kurz angelegt werden. Rechte Winkel sollten vermieden werden, da sie Reflexionen und Signalverluste verursachen können.

Verwendung von Entkoppel-Kondensatoren: Entkopplungs-Kondensatoren, die hochfrequenten Störgrößen einen kurzen Weg zur Masse bieten, sollten möglichst nah an den Stromversorgungs-Pins der ICs platziert werden.

Impedanzkontrolle: Durch Kontrollieren der Impedanz von Signalleiterbahnen kann die Impedanz von Quelle und Last angepasst werden und damit zur Vermeidung von Signalreflexionen beitragen, die abgestrahlte Störgrößen verursachen können.

Schirmung: Gelegentlich können metallische Abschirmungen oder Abschirmmaterial an bestimmten Bereichen einer Leiterplatte das Abstrahlen von Störgrößen verhindern.

Verwenden von Filtern: Filter können bestimmte Frequenzen, die zur Abstrahlung von Störgrößen führen, blockieren, und sind insbesondere bei Stromversorgungs-Schaltungen sinnvoll.

Beachtung des Lagenaufbaus: Bei mehrlagigen Leiterplatten sollten die Lagen EMI-minimierend angeordnet sein. Günstig ist generell die abwechselnde Anordnung von Stromversorgungs- und Masselagen, um Schleifenflächen zu verkleinern und den Signalen Rücklaufwege zu bieten. Masseflächen auf der obersten und untersten Lage können als abschirmendes Feld für die inneren Signallagen (z. B. Takte) dienen, die abgestrahlte Störgrößen erzeugen.

Unterdrückung von Takt-Oberschwingungen: Taktsignale erzeugen möglicherweise Oberschwingungen, die andere Schaltungsteile beeinflussen können. Spread-Spectrum-Verfahren können hier dazu beitragen, diese Oberschwingungen zu verteilen und ihre Auswirkungen einzudämmen.

Bild 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild der in Bild 2 vorgestellten analogen Signalkette.

Gute und schlechte Leiterplatten-Layouts

Die Bilder 4 und 5 verdeutlichen am Leiterplatten-Layout für den AMC131M03 die Anwendung von Techniken zur Eindämmung abgestrahlter Störgrößen. Bild 4 zeigt ein „gutes“ Layout mit kurzen Leiterbahnen für die ADC-Eingänge und die Stromversorgung im Hochvolt-Teil (links vom AMC131M03). Außerdem wurden die Entkoppel-Kondensatoren C1, C6, C8, C9, C11, C13, C14 und C24 nah am IC platziert.

Ein wichtiger Aspekt bei der EMI-Eindämmung ist die Masseverbindung des isolierten Masseknotens ISO_GND. Durch Minimierung der Leiterbahnlängen und die Vermeidung einer Massefläche im Hochvolt-Bereich wird die Antenne an diesem Knoten auf ein Mindestmaß verkleinert, was die abgestrahlten Störgrößen minimiert [14]. Zum Blockieren hochfrequenter Störgrößen wurden die Ferritperlen F1 und F2 in die Stromversorgungs-Leitungen DCDC_OUT und DCDC_HGND eingefügt. Ebenso kann in Reihe mit dem zur Spannungsmessung dienenden Widerstandsteiler eine zusätzliche Ferritperle (F3) platziert werden, die bei der Frequenz, bei der die abgestrahlten Störgrößen besonders stark sind, eine hohe Impedanz aufweist. Die Höhe dieser Frequenz ist vom Leiterplatten-Layout abhängig.

Ein „schlechtes“ Layout ist dagegen in Bild 5 zu sehen. Die mit dem Knoten ISO_GND verbundene Massefläche wirkt als Antenne und kann die abgestrahlten Störgrößen deutlich intensivieren [14].

Die Bilder 6 und 7 geben die gemessenen abgestrahlten Störgrößen der AMC131M03-Leiterplatte mit dem guten Layout aus Bild 4 wieder. Die Messungen wurden gemäß CISPR 11 in einer semi-reflexionsfreien Kammer unter Verwendung einer für horizontale bzw. vertikale Polarisation konfigurierten Breitbandantenne im Abstand von 3 m vorgenommen. Der ADC empfängt dabei an CLK_IN ein kontinuierliches Taktsignal und erzeugt Umwandlungsergebnisse, allerdings erfolgt während der Aufzeichnung der Abstrahlungsprofile keine SPI-Kommunikation. Das Design erfüllt die Anforderungen der Norm CISPR 11 Klasse A und B mit einer Reserve von 13 dB und bietet damit die geringsten abgestrahlten Störgrößen für einen ADC mit verstärkter Isolation für Daten und Stromversorgung.

Fazit: Elektronische Schaltungen müssen vor elektromagnetischen Störgrößen geschützt werden, damit sie wie vorgesehen funktionieren. Ebenso dürfen die Schaltungen selbst keine Störgrößen emittieren, die die Leistungsfähigkeit anderer Systeme gefährden oder beeinträchtigen können. Zur Einhaltung der EMV-Normen muss sich der Schutz vor elektromagnetischen Störgrößen über vier Ebenen erstrecken: die Bauteil-Ebene, die Leiterplatten-Ebene, die System-Ebene und das übergeordnete System [15].

Die in diesem Artikel beschriebenen Techniken minimieren die elektromagnetischen Störgrößen auf der Ebene des Leiterplattendesigns und lassen sich einfach auf ein praktisches Beispiel anwenden, nämlich eine klassenbeste Präzisions-ADC-Signalkette mit verstärkter Isolation [16] für den Einsatz in Stromzählern. Wird das Design sorgfältig und mit den vorgeschlagenen Techniken zur EMI-Reduzierung erstellt, werden die einschlägigen EMV-Normen mit ausreichend Reserven eingehalten [17]. (kr)

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Literaturnachweis

1. Ott, Henry W. 2009. “Electromagnetic Compatibility Engineering.” Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons.

2. Part 15 – Radio Frequency Devices. FCC Title 47, Chapter I, Subchapter A. FCC: Washington, D.C., Jan. 11, 2024.

3. American National Standard for Methods of Measurement of Radio-Noise Emissions from Low-Voltage Electrical and Electronic Equipment in the Range of 9 kHz to 40 GHz. IEEE C63.4-2009. Piscataway, New Jersey, Sept. 15, 2009.

4. Directive 2004/108/EC of the European Parliament and of the Council of 15 December 2004 on the Approximation of the Laws of the Member States Relating to Electromagnetic Compatibility and Repealing Directive 89/336/EEC. Official Journal of the European Union. Brussels, Belgium, Dec. 31, 2004.

5. Texas Instruments: An Overview of Conducted EMI Specifications for Power Supplies.

6. LearnEMC.com. n.d. EMC Regulations. Accessed Jan. 14, 2024.

7. Envocore.com. n.d. How Do Smart Meters Communicate? Accessed Jan. 14, 2024.

8. Texas Instruments. n.d. AMC131M03 three-channel, simultaneous-sampling 24-bit isolated delta-sigma ADC. Accessed Jan. 14, 2024.

9. Texas Instruments: Addressing High-Voltage Challenges with Reliable and Affordable Isolation Technologies.

10. Altium.com. n.d. PCB Design Techniques to Reduce EMI. Accessed Jan. 14, 2024.

11. Analog Devices (Maxim Integrated). Practical Aspects of EMI Protection. Tutorial 1167, Aug. 21, 2002.

12. Remcom. n.d. Electromagnetic Simulation Software. Accessed Jan. 14, 2024.

13. Cadence. n.d. Clarity 3D Transient Solver. Accessed Jan. 14, 2024.

14. Texas Instruments: Best Practices to Attenuate AMC3301 Family Radiated Emissions EMI.

15. Electronic Design. n.d. Meet EMI Standards for Electronic Systems. Accessed Jan. 14, 2024.

16. Texas Instruments: High-Voltage Reinforced Isolation: Definitions and Test Methodologies.

17. Texas Instruments: Understanding Electromagnetic Compliance Tests in Digital Isolators.

* Dr. Ralph Oberhuber ist Entwicklungsingenieur Präzisions-ADC bei Texas Instruments.

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