EMV Praxis 2013 Power-Integrity-Simulation mit der Software SILENT V4

Autor / Redakteur: Nils Dirks * / Johann Wiesböck

Die EMV einer elektronischen Baugruppe in den Griff zu bekommen ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Was die Powersysteme angeht, müssen Lagenaufbau, Layout und Kondensatorbeschaltung sorgsam aufeinander abgestimmt sein.

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Power-Integrity-Simulation
Power-Integrity-Simulation
(Bild: Nils Dirks)

Die korrekte Auslegung der Powersysteme ist das Fundament guter EMV-Eigenschaften der gesamten Baugruppe. Power-Integrity umfasst dabei typischerweise vier Aufgabenbereiche, wie in Bild 1 dargestellt, und ist damit auch eine Vorbedingung für gute Signal-Integrität. Es lässt sich zeigen (www.emv-praxis.de), dass eine notwendige Voraussetzung für die Erfüllung all dieser Aufgaben eine breitbandig niederohmige Impedanz des Powersystems ist. Doch so einfach sich diese Anforderung formulieren lässt, so schwierig ist ihre erfolgreiche Umsetzung.

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Die Resonanzen als EMV-Tod

Die besondere Bedeutung der Layoutgeometrie von Powersystemen wurde vom Autor im Artikel ‚Die Layout-Geometrie der Powerplane entscheidet‘ beschrieben, den Sie hier herunterladen können. Eine ungünstige Geometrie kann zu Resonanzen und damit zu hohen Impedanzen im Powersystem führen.

Eine weitere Ursache für Impedanzüberhöhungen ist die Hinzuschaltung willkürlich gewählter Kondensatoren. Und es gibt noch einige mehr. Betrachtet man die Vielzahl induktiver und kapazitiver Blindwiderstände (Kondensatoren, Leiterbahnen, Vias, Kupferflächen etc.), die in einem Powersystem zusammengeschaltet sind, kann das Auftreten der verschiedensten Resonanzfrequenzen kaum erstaunen.

Und tatsächlich gibt es in der Praxis kein resonanzfreies Powersystem. Die Kunst liegt darin, das Zusammenspiel der Reaktanzen so zu gestalten, dass keine inakzeptablen störenden Effekte auftreten. Zu diesem Zweck wurde die Software SILENT entwickelt. Mit Hilfe eines hierfür optimierten Solvers können die Eigenschaften aller Komponenten des Powersystems über einen weiten Frequenzbereich analysiert und optimiert werden.

Auf diese Weise lassen sich die Powersysteme bereits vor der Fertigstellung der ersten Leiterplatte optimal auslegen. Damit wird nicht nur die funktional erforderliche Stützung der verschiedenen Verbraucher, sondern auch die Abwesenheit potenzieller EMV-Probleme sichergestellt. Die wenigen Schritte dieses Entwurfsprozesses werden anhand des nachfolgenden Beispiels gezeigt:

Definition Lagenaufbau- und Layoutparameter

In Bild 2 ist die Eingabe der Leiterplattenparameter zu sehen. Neben den Außenabmessungen der Power-/GND-Flächen werden die erforderlichen Parameter zu Lagenaufbau und Layout-Geometrie der „Kondensator-Pads“ eingegeben. Bei der Entwicklung von SILENT wurde seit jeher darauf geachtet, ein möglichst einfaches User-Interface zu realisieren und nur das absolut notwendige Minimum an Parametern zu erfassen.

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