EMV: Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen

282 Pages·2011·3.07 MB·German

by  Joachim Franz (auth.)

Joachim Franz
EMV
Joachim Franz
EMV
Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen
4., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 240 Abbildungen und 16 Fallbeispielen
STUDIUM
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1. Auflage 2002
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4., erweiterte und überarbeitete Auflage 2011
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Lektorat: Reinhard Dapper | Walburga Himmel
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und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men.
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Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0893-6
Vorwort
HerstellerelektronischerSchaltungenmu¨ssenseitdem1.1.1996dieelektromagneti-
scheVertra¨glichkeit(EMV)ihrerGera¨tenachweisen.AuchvorhergabesEMV-Pro-
bleme.UndSchaltungen,dieunterEMV-Gesichtspunktenentwickeltwurden,liefen
stabilerbeigeringeremSchaltungs-undEntwicklungsaufwand.AusdieserErkennt-
nis ging ich bereits in den 60er Jahren als Schaltungsentwickler in der Industrie
den EMV-Problemen nach und a¨nderte meine Entwurfsmethodik. Eine solche Vor-
gehensweisezahltesichschondamalsaus.TrotzdemwarendiemeistenEntwickler
–wieheute–derAnsicht,fu¨reineAnalyseder Schmutzeffekte“ keineZeitzuha-
”
ben. Auch die in diesem Buch dargestellte Stromanalyse wurde in den 60er Jahren
imAnsatzschonmitErfolgeingesetzt;ihregroßeBedeutungfu¨rdieEMV-Analyse
war aber noch nicht erkannt worden. Die Einrichtung eines Laboratoriumsversuchs
anderUniversita¨tHannoverzumThemaEMVimJahre1975(!)wurdevonVielen
nochmitVerwunderungaufgenommen.DieVorteilederBeru¨cksichtigungderEMV
bei der Planung wurden aber sehr schnell bei praktischen Aufbauten in Studien-
und Diplomarbeiten deutlich: Obwohl ha¨ufig sehr anspruchsvolle EMV-Probleme
vorlagen, liefen die Schaltungen auf Anhieb stabil. Fu¨r Redesigns wa¨ren auch we-
der Geld noch Zeit vorhanden gewesen – der Etat des Instituts war zu begrenzt,
und die Pru¨fungsarbeiten der Studenten sind zeitlich terminiert. Eine Reihe unse-
rer Absolventen trug die erlernte Arbeitsweise in die industrielle Praxis. Dadurch
kamen viele Industriekontakte und ein vom Bundesministerium fu¨r Forschung und
Technologiegefo¨rdertesEMV-Forschungsprojekt( EMC-Simulationssystemfu¨rdie
”
Aufbau-undVerbindungstechniken“)zustande.SokonnteeineVielzahlvonAnwen-
dungsfa¨llen auf ihren theoretischen Hintergrund untersucht werden. Die im Buch
dargestelltenVerfahrenwurdenfu¨rdasgenannteForschungsprojektaufbereitetoder
entwickelt.NachundnachwurdediegrundlegendeBedeutungderVerfahrenfu¨rdie
EMV-ArbeitdesSchaltungsentwicklersimmerdeutlicher.
DasvorliegendeBuchistsowohlausderPraxisderEntwicklerta¨tigkeitinderIndus-
trieundanderUniversita¨talsauchausdertheoretischenArbeitu¨berEMV-Probleme
entstanden.EswurdeausderAbsichtherausgeschrieben,demEntwicklereineein-
facheundwirkungsvolleSystematikfu¨rdieEMV-ArbeitandieHandzugeben,da-
miterausdemStadiumeinerEntwicklungnach VersuchundIrrtum“ herausfindet.
”
Voraussetzungdafu¨rist,dassdieZusammenha¨ngenichtalsKonglomeratausbezie-
hungslos nebeneinander stehenden Einzelpha¨nomenen dargestellt werden, sondern
dass eine Denk- und Sichtweise (Theorie1) entwickelt wird, mit der die Pha¨nome-
1vongriech.(cid:0)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6):(wissenschaftliche)Betrachtung
VI
ne zueinander in Beziehung gesetzt werden. So wurde mit Hilfe der Stromanalyse
fu¨rdengesamtenBereichderImpedanzkopplungunddamitfu¨reinenwesentlichen
und wohl den unu¨bersichtlichsten Bereich der EMV eine einfache, leicht zu hand-
habende,durchgehendeMethodikerarbeitet.Beieinerfu¨rdenPraktikerbestimmten
Darstellung hat der mathematische Aufwand im Hintergrund zu bleiben. Die ent-
wickelteSystematikmachtdiesauchmo¨glich.
MitdieserbeschriebenenMethodikwurdenineinerReihevonFirmen,diesiekon-
sequenteinsetzenundnunfu¨rihrePrototypeneineexzellenteEMVohneRedesigns
erreichen,EntwicklungszeitenundKostendrastischreduziert.IhreAnwendungfu¨hr-
te auch bei der Entwicklung einer CCD-Stereo-Fernsehkamera fu¨r Weltraumein-
sa¨tze im Max-Planck-Institut fu¨r Aeronomie in Katlenburg-Lindau (Harz) erst zum
gewu¨nschten Ziel. Die Kamera war im Jahre 1997 mit der Mars-Pathfinder-Sonde
aufdemMarsgelandetundhattediebekanntenherrlichenundeindrucksvollenBil-
der von der Marsoberfla¨che aufgenommen. Ihre Zuverla¨ssigkeit wurde in den Me-
dien besonders hervorgehoben – mit Sicherheit auch ein Ergebnis einer exzellenten
EMV.
Die ersten Kapitel dieses Buches umfassen die Grundlagen; sie sind in einigen we-
sentlichenPunktenandersalsu¨blichdargestellt.DageradedieseUnterschiedezum
Versta¨ndnisder nachfolgendenKapitel wichtigsind, wirdempfohlen,diese Kapitel
zuerst zu studieren. Der Aufbau des Buches la¨sst aber neben einem Studium unter
Einhaltung der Reihenfolge auch die Benutzung als Nachschlagewerk zu. Zahlrei-
che Querverweise sowie das Sachwortverzeichnis helfen, alle notwendigen Zusam-
menha¨ngezuerhalten.
Dankgebu¨hrtdenProfessoren,vielenKollegenundStudentenamInstitutfu¨rGrund-
lagen der Elektrotechnik und Messtechnik der Universita¨t Hannover fu¨r die Unter-
stu¨tzungdieserArbeit,fu¨rAnregungen,DiskussionenundKorrekturen.Besonderer
Dank gilt den Herren Dipl.-Ing. Axel Knobloch und Dr.-Ing. Robert Kebel fu¨r ihre
aufopferungsvolleTa¨tigkeitdesKorrekturlesens,ihreKritikunddievielenAnregun-
genfu¨rVerbesserungen.GedanktseiandieserStelledenjenigenStudenten,dieden
Wagemut hatten, in ihren Studien- und Diplomarbeiten zu diesem Thema zu neuen
Ufernaufzubrechen.Siewurdendafu¨rimmermitwichtigen,neuenErgebnissenund
Einsichten belohnt. Und schließlich danke ich meiner Frau fu¨r ihre große Geduld,
die sie mir bei der Arbeit an diesem Buch entgegenbrachte. Ihr sei dieses Buch ge-
widmet.
Hannover,Fru¨hjahr2002 JoachimFranz
Vorwort zur vierten Auflage
Das Konzept dieses Buches, die EMV durch eine Methodik schon in einem Ab-
schnitt der Schaltungsentwicklung, in dem Schaltungseinzelheiten noch gar nicht
vorliegen, weitgehend planbar zu machen, hat sich in der Praxis sehr bewa¨hrt. Die
Methodik wurde weiter vertieft und ihre Darstellung in einer Reihe von Punkten
erweitert. Insbesondere die vorgestellte Simulation eines aus durchgehenden Lagen
bestehenden Masse- und Versorgungssystems auf Leiterplatten in Multilayertech-
nik mit SPICE macht es nun auch mo¨glich, das Verhalten des Masse- und Versor-
gungssystems und seinen Einfluss auf die Abblockung mit hoher Genauigkeit bis
in den Modenbereich zu untersuchen, Abblockmaßnahmen genauer zu planen und
ihre Wirksamkeit zu kontrollieren. Verwendet wird hierfu¨r der kostenlose Simula-
tor LTspice von Linear Technology. Herzlicher Dank gilt Herrn Helmut Sennewald
fu¨r seine entscheidenden Hilfen und Informationen zur Nutzung dieses Simulators.
Sie ermo¨glichen die Aufstellung eines Modells, bei dem die Frequenzabha¨ngigkeit
der Verluste beru¨cksichtigt werden kann und das trotz seiner Komplexita¨t einfach
zu handhaben und vielseitig verwendbar ist. Die Aufstellung der Modells wird im
Detailerla¨utert.
HerzlicherDankgebu¨hrtdemInstitutfu¨rGrundlagenderElektrotechnikundMess-
technikderUniversita¨tHannoverfu¨rdieMo¨glichkeitundUnterstu¨tzung,Messungen
durchfu¨hrenzuko¨nnen,sowieHerrnDr.-Ing.AxelKnoblochfu¨rseinenunermu¨dli-
chenundtreuenEinsatzbeimKorrekturlesenundseinewertvollenAnregungen.
Springe,imAugust2010 JoachimFranz
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
VorwortzurviertenAuflage VII
Inhaltsverzeichnis IX
SchreibweisenundHinweise XIV
1 Einleitung 1
2 GrundbegriffeundGrundlagen 7
2.1 DasModellderSto¨rbeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Spannungs-undStromu¨bertragung. . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 DerSto¨rabstandalsGu¨tekriterium . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 QuellenundEmpfa¨ngerfu¨rdieStromu¨bertragung . . . . . . . 11
2.4.1 StromquellemiteinemOperationsversta¨rker . . . . . . . . 11
2.4.2 StromquellemiteinemTransistor . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.3 StromquellemitOperationsversta¨rkerundTransistor . . . . 14
2.4.4 AuswahleinergeeignetenStromquelle . . . . . . . . . . . 15
2.4.5 Stromempfa¨nger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 UnsymmetrischeundsymmetrischeU¨bertragung . . . . . . . . 17
2.6 Teilkapazita¨tundBetriebskapazita¨t . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 Selbstinduktivita¨tundGegeninduktivita¨t . . . . . . . . . . . . . 23
2.8 EMV-ErsatzschaltbildervonBauelementen . . . . . . . . . . . 28
2.8.1 DasErsatzschaltbildvonLeitungen . . . . . . . . . . . . . 28
2.8.2 DasErsatzschaltbildvonWidersta¨nden . . . . . . . . . . . 30
2.8.3 DasErsatzschaltbildvonKondensatoren . . . . . . . . . . . 31
2.8.4 DasErsatzschaltbildvonSpulen . . . . . . . . . . . . . . . 34
X Inhaltsverzeichnis
2.8.5 DasErsatzschaltbildvonTransistoren . . . . . . . . . . . . 37
2.8.6 TransformatorenundEMV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Kopplungsmechanismen 43
3.1 KapazitiveKopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 KapazitiveKopplunginunsymmetrischeSignalkreise . . . 43
3.1.2 AmplitudengangdereingekoppeltenSto¨rung . . . . . . . . 45
3.1.3 KapazitiveKopplunginsymmetrischeSignalkreise . . . . . 47
3.2 InduktiveKopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.1 InduktiveKopplunginSignalkreise . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.2 Induktive Kopplung von Gleichtaktsto¨rungen in symmetri-
scheSignalkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.3 Da¨mpfungmagnetischerFelderdurchKurzschlussringe . . 52
3.3 Impedanzkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 ImpedanzkopplunginunsymmetrischeSignalkreise. . . . . 56
3.3.2 ImpedanzkopplunginsymmetrischeSignalkreise . . . . . . 58
3.4 KopplungdurchelektromagnetischeFelder . . . . . . . . . . . 58
3.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Verfahren 61
4.1 DieStromanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 DasVerfahrenderVerschiebungderKnotenpunkte . . . . . . . 63
4.3 BeispielezurStromanalyseundVerschiebungderKnotenpunkte 65
4.4 DieStromumschaltanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 AbblockungelektronischerSchaltungen 71
5.1 DasWechselstrom-Ersatzschaltbildfu¨rdieAbblockung. . . . . 71
5.2 Stro¨meaufdemMasse-undVersorgungssystem . . . . . . . . 77
5.3 GruppenabblockungundEinzelabblockung . . . . . . . . . . . 82
5.4 AuswahlgeeigneterAbblockkondensatoren . . . . . . . . . . . 84
5.5 ParallelschaltungvonAbblockkondensatoren . . . . . . . . . . 85
5.6 AnschlussvonKondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Inhaltsverzeichnis XI
5.7 Logik-Fehler und Strahlung bei digitalen ICs durch Ground
Bounce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.8 Beispielefu¨rdasLayoutdesVersorgungsspannungssystems . . 96
5.9 AbblockungaufZweilagenleiterplatten–Zusammenfassung . . 101
5.10 AbblockungaufMultilayern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.10.1 DieImpedanzdesAbblocksystems . . . . . . . . . . . . . 103
5.10.2 EineinfachesModelldesLeiterplattenkondensators . . . . 107
5.10.3 StehendeWellenaufdemMasse-/Versorgungssystem . . . . 108
5.10.4 Berechnung des Abschlusswiderstandes einer rechteckigen
Leiterplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.10.5 Abblockmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.10.6 AbblockungaufMultilayern–Zusammenfassung . . . . . . 132
5.11 SimulationdesVersorgungssystemsmitSPICE . . . . . . . . . 134
5.11.1 DimensionierungderElementedesSimulationsmodells . . 135
5.11.2 ErstellendesSimulationsmodellsderTestleiterplatte . . . . 137
5.11.3 VergleichvonSimulations-undMesswerten. . . . . . . . . 140
6 Masse-undSignalstrukturen 143
6.1 Reihenmassestruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Masseschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.3 Entkopplungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.3.1 Vermaschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.3.2 Sternstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.3.3 GalvanischeTrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.3.4 Differenzbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.3.5 StromkompensierteDrossel(Gleichtaktdrossel) . . . . . . . 156
6.3.6 Schutzleiterdrossel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.3.7 GetrenntesPotentialbezugssystem . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.8 SymmetrischeStruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.3.9 Stromu¨bertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.3.10 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3.11 WeitereEntkopplungsmethodendurchA¨nderungderSignal-
gro¨ße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
XII Inhaltsverzeichnis
7 PlanungderEMVvonBaugruppen,Gera¨tenundAnlagen 167
7.1 EMV-Zonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.1.1 EinrichtenvonEMV-ZoneninelektronischenSchaltungen . 169
7.1.2 Einleitfa¨higesGera¨tegeha¨usealsEMV-Zonengrenze . . . . 171
7.1.3 KonstruktiveVoraussetzungenfu¨rEMV-Filter . . . . . . . . 172
7.2 MassestrukturvonBaugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.2.1 VerkopplungeinerBaugruppemitderUmgebung . . . . . . 174
7.2.2 EntkopplungdurchSternstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2.3 VerkopplungdurchkapazitivenRu¨ckschluss . . . . . . . . 177
7.2.4 EntkopplungzwischenBaugruppeundUmgebungdurchei-
neweitereMasseschleife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2.5 Maßnahmenbeiungu¨nstigerPlatzierungderAnschlu¨sse . . 179
7.2.6 Entwicklungbegleitendes Testverfahren zur Pru¨fung des
Massesystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.3 Strahlungskopplungbeiungu¨nstigerMassestruktur . . . . . . . 181
7.3.1 TeilmassenundKabelalsAntennenstrukturen . . . . . . . . 182
7.3.2 StrahlungvonICsdurchGround-Bounce . . . . . . . . . . 186
7.3.3 StrahlungvonSchlitzantennen . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.4 MassestrukturenvonGera¨ten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.5 MasseschleifenundKopplungenineinerAnlage . . . . . . . . 200
7.6 VerbindungvonBaugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.6.1 TransferadmittanzundTransferimpedanz . . . . . . . . . . 202
7.6.2 Ein-oderbeidseitigerAnschlussvonKabelschirmen . . . . 205
7.6.3 AnschlussvonKabeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.7 ZonenmitdefiniertemMassebezugspotential . . . . . . . . . . 211
7.8 StrukturierungderMassedigitalerSchaltungen . . . . . . . . . 212
7.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214