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Leiterplattendesign EMV-Störungen mit Software-Simulation in Minuten aufspüren

| Autor / Redakteur: Dirk Müller* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

EMV-Messungen sind ein wichtiger Bestandteil beim Design von Bauteilen. Doch sind vollständige Tests zeit- und kostenintensiv. Abhilfe schafft beispielsweise die Software-Simulation von kritischen Stellen, damit sich unötige EMV-Messungen und Re-Designs vermeiden lassen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Elektromagnetische Verträglichkeit lässt sich nur in der Messkammer mit fertigen Prototypen endgültig prüfen. Die Prüfung ist zeit- und kostenintensiv. Es gibt verschiedene Ansätze, die Kosten für wiederholte Prüfungen durch frühzeitige Simulation während der Designphase zu vermeiden. Die EMV-Thematik ist sehr komplex und eine komplette Simulation mit 3-D-Field-Solvern über das gesamte Design ist heute in keiner akzeptablen Zeit möglich. Aus diesem Grund simulieren Experten die kritischen Stellen wie das Power- und Ground-System oder einzelne kritische Leitungen, um typische Ursachen für Ein- und Abstrahlung zu vermeiden. Ihre Erkenntnisse aus der gezielten Simulation geben die EMV-Spezialisten in Form von Designregeln an die PCB-Designer weiter.

FlowCAD bietet neben der EMV-Simulationssoftware PCBMod für Experten einen weiteren Lösungsansatz für den PCB-Designer. Mit der regelbasierenden Software EMBoardCheck wird das geroutete Leiterplattendesign als Datensatz aus dem PCB-Layout-Tool eingelesen und im virtuellen Raum gescannt. Dabei werden verschiedene Designregeln auf allen Lagen, Netzen oder Leitungen überprüft. Dabei können Designdaten aus Softwarepaketen von Altium, Cadence, Mentor, OrCAD oder Zuken eingelesen werden.

Software erkennt Ursachen für Störungen

Entwickelt wurde EMBoardCheck von SimLab in Zusammenarbeit mit IBM. SimLab verfügt über das Know-how der Schnittstellen, die verschiedensten PCB-Datenformate einzulesen. IBM hat mit eigenen Experten in aufwendigen Messungen und an verschiedensten Designs EMV-Probleme untersucht und die Ergebnisse in allgemeingültige Designregeln übertragen. Anschließend wurden kritische Designs mit den Designregeln verglichen und die Ergebnisse der Simulation in der Messkammer durch Messreihen überprüft. Es ist eine Software entstanden, welche die häufigsten und schwerwiegendsten Ursachen für Störungen durch elektromagnetische Felder erkennt und lokalisiert.

Der PCB-Designer wird in die Lage versetzt, seine Designs im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit hin zu prüfen. Als Resultat erhält der Layouter eine Liste mit Fehlern, die konkret den Fehler beschreiben und einen Lösungsvorschlag unterbreiten. Wo sich der Fehler im Design befindet, wird dem Layouter im integrierten Viewer angezeigt. Im Fokus der Entwicklung stand immer, dass ein Anwender ohne spezielle Vorkenntnisse sicher die EMV-Ursachen seines Designs findet und frühzeitig Änderungen im Design vornehmen kann, damit sich unnötige EMV-Messungen und Re-Designs vermeiden lassen.

Regeln für die Fehlersuche

Bild 1: EMV-Fehler, da der Kondensator zu weit vom Signal entfernt die Split Plane überbrückt (Archiv: Vogel Business Media)

Zur Abstrahlung oder Kopplung von elektromagnetischen Feldern kommt es, wenn bestimmte geometrische Regeln verletzt werden. So durchsucht das Tool den Rückstrompfad des Designs. Jedes elektrische Signal hat einen elektrischen Hinweg der meist durch die Leiterbahn vorgegeben wird, aber auch einen Rück(strom)weg, der über die Power und Ground Lagen erfolgt. Der Rückstrom nimmt immer den Weg des geringsten Widerstands, also bei höheren Frequenzen den Weg der geringsten Impedanz.

Die Software überprüft, wo dieser Rückweg unterbrochen ist. Beispielsweise durch eine geteilte Kupferfläche (Split-Plane). Wenn der Rückweg geometrisch nicht dem Signalweg folgen kann, kommt es zu einer Umleitung des Rückstromes. Abhängig von der Fläche, die diese Umleitung des Rückstromes umschließt, bildet sich eine Antenne aus und strahlt Störungen ab oder Störungen von außen können über solch eine Antenne empfangen werden. Die Software erkennt diese Trennung der Kupferflächen auf den Versorgungslagen mit einem oder mehreren Kondensatoren für hohe Frequenzen kurzgeschlossen ist und so eine Brücke mit niedriger Impedanz über den Trenngraben für den Rückstrom bereit steht und es zu keiner Umleitung kommt.

Weg des Rückstroms verfolgen

Bild 2: Bei Lagenwechsel mit Wechsel der Bezugsebene ist der Rückstromweg sicherzustellen (Archiv: Vogel Business Media)

Eine weitere Regel sucht nach Netzen, die im Design ihre Signallage und Bezugsebene für den Rückstrom wechseln. Zu wenig Abstrahlung tritt ein, wenn die Signallage von oberhalb zu unterhalb der gleichen Bezugsebene gewechselt wird. In diesem Fall würde der Rückstrom in der gleichen Lage weiter fließen können. Werden Signallage und die Bezugsebene gleichzeitig gewechselt, muss der Rückstrompfad sicher gestellt werden.

Durch einen Kondensator nahe des Umsteigers wird vermieden, dass der Rückstrom eine Umleitung nehmen muss und eine Schleife ausbildet. Diese Regel muss zusätzlich einen Lagewechsel der Escape-Vias unter einem BGA (Ball Grid Array) erkennen und erlauben, da hier der Rückstrom nicht über einen Kondensator fließt, sondern durch das BGA. Wenn es zu einem Verstoß gegen diese Regel kommt, wird die Durchkontaktierung angezeigt, an der ein Lagenwechsel stattgefunden hat. Bei höheren Taktfrequenzen gilt es, die Länge der Leitungen auf der Außenlage zu reduzieren. Hier werden Werte für maximale sichtbare Leitungslängen von kritischen Leitungen geprüft und ggf. die zu langen Leitungen angezeigt.

Eine andere Regel ist in den meisten professionellen PCB Layout Tools in höheren Ausbaustufen enthalten. Wenn der Anwender nur über die Basisversion oder über eine einfache Software verfügt, kann er mit EMBoardCheck kostengünstig ohne viel Einarbeitungszeit solche speziellen EMV-Regeln prüfen. Hier wäre als Beispiel der maximale Abstand eines Abblockkondensators zu einem Anschlusspins der Versorgungsspannung zu nennen. Da ein Abblockkondensator nur einen beschränkten Wirkungskreis hat, darf der Abstand zu dem zu entkoppelnden Pin nicht überschritten werden, da der Kondensator sonst nutzlos ist und gleich weggelassen werden kann. Bei dieser Regelverletzung wird der Kondensator mit seinem Abstandwert in der Fehlerliste angezeigt.

Richtigen Abstand einer Leitung einhalten

Als letzte Regel soll hier beschrieben werden, dass eine Leitung nicht zu nah an den Rand seiner Bezugsebene kommen darf. In diesem Fall würde sich die Impedanz der Leitung verändern und es kann zu Signalreflektionen auf der Leitung an den Impedanzdiskontinuitäten kommen. Der Anwender kann gezielt diverse Regeln prüfen, wird über eine Fehlerliste von Fehler zu Fehler geführt und bekommt die kritischen Stellen im Design visualisiert. Durch Ändern der Bauteilposition oder der Leiterbahnführung lassen sich EMV-Probleme frühzeitig in der Designphase vermeiden und müssen nicht durch Schirmung oder Filterung nachträglich eingedämmt werden.

Störstellen durch erprobte Regeln lokalisieren

Sämtliche Designregeln im EMBoardCheck sind vordefiniert und wurden in langwierigen Messreihen überprüft. Jede Regel kann mit wenigen verständlichen Parametern an die speziellen Gegebenheiten angepasst werden, ohne dass Expertenwissen erforderlich ist. Das Werkzeug lässt sich in den CAD-Flow des Kunden einbinden und hilft die EMV-Schwachstellen frühzeitig zu lokalisieren und zu reparieren. Bisher wurden die Designregeln von Layoutern optisch kontrolliert, was jedoch bei komplexeren Designs schnell unübersichtlich und fehlerträchtig wird. Mit EMBoardCheck lassen sich innerhalb weniger Minuten komplette Scans eines Designs im Hinblick auf die kritischsten EMV-Problem-Verursacher durchführen.

*Dirk Müller ist Geschäftsführer bei FlowCAD in Feldkirchen.

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