Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 4 Jahren

3-2020

  • Text
  • Technik
  • Verstaerker
  • Antennen
  • Komponenten
  • Technik
  • Radio
  • Filter
  • Oszillatoren
  • Quarze
  • Emv
  • Bauelemente
  • Messtechnik
  • Frequency
  • Wireless
  • Filters
  • Filter
Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

EMV RF PCB Design Basics

EMV RF PCB Design Basics EMV-gerechte HF-Platinen entwickeln Liegt die Wellenlänge des Signals im Bereich der physikalischen Größe der Platine, dann wird es wichtig, die Leiterplattenstruktur als verteiltes Modell zu betrachten. Dieser Beitrag veranschaulicht, worauf man beim HF-PCB- Design für ein optimal funktionierendes Leiterplatten-Layout achten sollte. Die Beachtung der Hinweise ist angebracht zwecks z.B. Berücksichtigung der Phasenverschiebung des Signals über die Länge der Übertragungsleitungen [1]. Außerdem ist abzusichern, dass keine Reflexionen auftreten, da diese Verluste und Störungen verursachen können. Impedanz-Matching Impedanzanpassung sichert den maximalen Leistungstransfer. Zusätzlich wird unerwünschte elektromagnetische Strahlung und kapazitive Kopplung zwischen den Elementen vermieden. Es ist daher wichtig, dass die Impedanzanpassung sorgfältig abgewogen wird. Dazu ist es wichtig, zu wissen, dass HF-Übertragungsleitungen immer transformieren. Oft wird jedoch nur eine Transformation 1:1 gewünscht, sodass Quellimpedanz, Leitungsimpedanz und Lastimpedanz gleich sind. Die Impedanz einer Leitung ist abhängig von folgenden Faktoren: • Höhe der Leitung über der Grundebene • Breite der Leitung • Dielektrizitätskonstante des Leiterplattenmaterials • effektive Dielektrizitätskonstante, basierend auf der Breite und Höhe der Leiterbahn z. B. Simulationsprogramme führen heute optimal zum gewünschten Ergebnis von meist 50 Ohm. Board Stack-Up HF-Leiterplatten-Designs werden normalerweise auf 2- oder 4-Lagen-Leiterplatten ausgeführt. Zweilagige Leiterplatten (Bild 1) sind so konzipiert, dass die Komponenten- und Signalweiterleitung auf der obersten Ebene liegt, während die unterste Schicht vorwiegend den kürzesten Weg für die Rückströme bietet. Die Grundebene sollte durchgehend sein. Wenn sie geteilt ist, vor allem unter dem HF-Pfad, kann sich die Pfadlänge des Rückstroms erhöhen und die gewünschte Funktion beeinflussen. Ein 2-Lagen-PCB- Board-Design bietet Kosteneinsparungen im Vergleich zu einem 4-Lagen-Design und kann eine vergleichbare Leistung aufweisen, erfordert aber sorgfältige Signalführung und Platzierung der Komponenten. Diese Ausführungen sind in der Regel auf Dicken von 0,8 bis 1 mm beschränkt, da bei Verwendung einer dickeren Mikrostreifenleitung die entsprechende Breite für die gemeinsame Impedanz (z.B. 50 Ohm) für die Praxis zu groß wird. Ein 4-Lagen-PCB-Design (Bild 2) erlaubt eine einfache Verlegung von Erdungs- und Stromversorgungsebene und lockert Routing-Überlegungen im Vergleich zu einer 2-Lagen-Platine auf. Es ermöglicht eine einfache Entkopplung der Energieebene zwischen der Grundebene und der unteren Schicht. Bei einer 4-Lagen-Platine wird empfohlen, den nachfolgend definierten Lagenaufbau zu verwenden: 1. Schicht: Komponenten und Signal 2. Schicht: Masse (Groundplane) 3. Schicht: Stromversorgung (Powerplane) 4. Schicht: Groundplane und Signalrouting Bei einem 4-Lagen-HF-PCB- Design ist zu beachten, dass eine Masseebene immer unter der Oberseite liegen muss. Oben Quelle: Layout Review Techniques for Low Power RF Designs By Suyash Jain Texas Instruments Application Note AN098, www.ti.com/wirelessconnectivity Teilübersetzung von FS Bild 1: Eine 2-Lagen-Leiterplatte Bild 2: Eine 4-Lagen-Leiterplatte 28 hf-praxis 3/2020

EMV man die Durchkontaktierungen von den zu erdenden Kontaktstellen entfernt. Dadurch entfällt auch der Bedarf an zusätzlichen Leitungen, die ansonsten gezeichnet werden müssten, um eine Verbindung zur Masseebene herzustellen. Bild 3: Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten und ihr Impedanzverlauf liegt immer die Komponentenund Signalebene. Die erhöhte Dicke bei 4-Lagen-Leiterplatten bedeutet auch hohe mechanische Festigkeit. Bypassing/ Entkoppeln der Stromversorgung Das Routing der Stromversorgung ist in jedem HF-Design wichtig und kann, wenn es nicht sorgfältig geplant wird, negative Auswirkungen auf die Systemleistung haben. Richtiges Routen, also optimales Umgehen von „Gefahrenstellen“ (Bypassing) und Entkoppeln vermeidet das unerwünschte Einkoppeln von Störungen in das aktive Gerät sowie die Beeinträchtigung der Leistung des Systems. Eine Quelle für hochfrequentes Rauschen auf einer Leiterplatte kann die Stromversorgung sein. Falsches Routen der Stromversorgungsleitungen durch aktive Aufbauten kann hochfrequente Oberschwingungen erzeugen. Solche Störsignale können zu den Stromversorgungsanschlüssen wandern und abgestrahlt oder rückgekoppelt werden. Um zu verhindern, dass dieses Hochfrequenzrauschen die Stromversorgungsstifte des Geräts erreicht, wird es mit einem Kondensator mit niedriger Impedanz zur Masseebene abgeleitet. Aufpassen muss man auch, wenn sich auf der Platine ein analoger und ein digitaler Abschnitt befinden. Schnelle digitale Signale mit ihren steilen Flanken und Pegeln im Voltbereich können in die Stromversorgungsleitungen einkoppeln, wenn bei der Versorgung nicht richtig geroutet und entkoppelt wird. Stromversorgungsleitungen und Digitalleitungen müssen konsequent vom analogen HF-Teil weggeführt werden, und eine gute Entkopplung muss erfolgen, um die Leitungen/Signale entsprechend zu isolieren. Daher ist der Bypass-/Entkopplungskondensator unter Berücksichtigung der Betriebsspannung sorgfältig auszuwählen. Wichtig ist, neben dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR), auch die Eigenresonanzfrequenz (SRF) des Kondensators. Oberhalb der SRF verhält sich der Kondensator primär wie eine Induktivität, somit ist er nur bis zur SRF entkoppelnd wirksam. Bild 3 zeigt den Verlauf der Impedanz über der Frequenz. Die SRF liegt je nach Kapazität zwischen 5 und 15,5 GHz. Es wird empfohlen, die Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich am zu entkoppelnden Bauteil zu halten, also möglichst nah an den Versorgungs-Pins. Die Massefläche (Groundplane) Es wird dringend empfohlen, in jedem HF-Design eine durchgehende/ununterbrochene Erdungsebene zu verwenden. Schlitze sind möglich, jedoch Schleifen zu vermeiden. Wenn die Masseebene, insbesondere unter dem HF-Abschnitt, geteilt ist, dann sind längere Rückstrompfade wahrscheinlich, was zu unerwünschter Induktivität und unerwünschter Anpassung führen kann. Die durchgehende Erdungsebene unter dem Design ermöglicht auch eine einfache Verbindung mit Masse. Man sollte die Masseverbindungen ausführen, indem Darüber hinaus ist es in der oberen Komponentenebene in der Regel sinnvoll, den nicht verwendeten Bereich mit Massefläche zu füllen und diese oft (mit mehreren Durchkontaktierungen) mit der unteren Masseebene zu verbinden. Es wird empfohlen diese Vias im Abstand von etwa 1/10 der Wellenlänge anzuordnen. Eine Erdungsabschirmung wie in Bild 4 schützt den HF-Abschnitt vor der Kopplung mit anderen Abschnitten auf einem größeren Design oder mit in der Nähe befindlichen störenden Quellen. In einem vierschichtigen Design bietet eine durchgehende Erdungsebene auch eine gute Trennung von der Stromversorgung. Bauteilanordnung Induktivitäten auf der Leiterplatte sind mit einem Magnetfeld verbunden, das mit anderen koppeln kann. Dies kann die Konstruktion in unerwünschter Weise beeinträchtigen. Daher sind Magnetfelder zu berücksichtigen. Am besten verwendet man Ringkerne, da sich hier ein äußeres Magnetfeld kaum ausbildet. Es wird empfohlen, andere Induktivitäten mit einem 90-Grad-Versatz zueinander Bild 4: Darstellung des HF-Designs mit geerdetem Via Shield hf-praxis 3/2020 29

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel