Elektromagnetische Störungen Wie sich EMI in digitalen Systemen erfolgreich reduzieren lässt

Autor / Redakteur: Ashish Kumar, Pushek Madaan * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Immer höhere Taktfrequenzen verursachen elektromagnetische Störungen, die meist vom Taktgeber ausgehen. Hier erfahren Sie, wie sich EMI mit Spread-Spectrum-Oszillatoren reduzieren lässt.

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In den letzten Jahrzehnten sind immer mehr digitale Anwendungen und Schaltungen verwirklicht worden. Zahlreiche ursprünglich analoge Verfahrensweisen lassen sich heute „digital“ implementieren, denn die Implementierung von Digitaltechnik ist zumeist sehr einfach, da es sich gänzlich um Logik oder die schnelle Abarbeitung von logischen Zuständen handelt; die Probleme wachsen jedoch exponentiell mit der Signalgeschwindigkeit, der Taktsynchronisation, und der Setup- und Haltezeiten. Die damit verbundenen Effekte beeinflussen nicht nur die Güte der einzelnen Teilsysteme, sondern verursachen auch elektromagnetische Störungen, wenn verschiedene Geräte sehr dicht nebeneinander arbeiten. Das große Bild zeigt ein typisches Beispiel für eine elektromagnetische Störung, wie sie etwa von einem DVD-Player beim Fernsehempfang hervorgerufen werden kann.

Elektromagnetische Störung kann zum Systemausfall führen

Die Störung (EMI = Electromagnetic Interference) ist eine unerwünschte Systemreaktion infolge der elektromagnetischen Strahlung, die von einer externen Quelle ausgesendet wurde. Die unerwünschte Reaktion oder Störung kann die effektive Leistung eines beliebigen elektronischen Systems unterbrechen und vermindern und könnte einen vollständigen Systemausfall verursachen. Die Kontrolle der elektromagnetischen Störung in jedem elektronischen Gerät ist deshalb für die Systementwickler eine wichtige, nicht zu verachtende Aufgabe geworden.

Die Störer in digitalen Systemen sind meistens Taktgeber

Die meisten Probleme, denen man bei der Entwicklung eines digitalen Systems begegnet, sind direkt oder indirekt mit dem Takt des Systems verbunden. Taktsignale mit hoher Frequenz, hohe Flankensteilheiten und periodische Clocksignale (gewöhnlich mit 50/50-Taktverhältnis) haben den größten Anteil an elektromagnetischen Störungen und sind zumeist deren Hauptquelle. Ferner führen die zunehmenden Geschwindigkeitsanforderungen zu einer Ausstrahlung mit höherer elektromagnetischer Energie.

Standards und Tests sollen Störungen vermeiden

Um diese Strahlung unter Kontrolle zu halten, gibt es verschiedene internationale und nationale Behörden, die die verschiedenen Standards und Tests zu elektromagnetischen Störungsverhalten erarbeiten, um zu gewährleisten, dass kein elektronisches Gerät Probleme für die Funktion anderer Geräte verursacht. Die Behörden legen den Grenzwert für die maximal zulässige Strahlungsabgabe fest, welcher in den einzelnen Ländern unterschiedlich sein kann. Grundsätzlich zu beachten ist, dass sich die maximal zulässige Strahlung nicht auf die durchschnittliche Ausstrahlung bezieht, sondern auf die Spitzenausstrahlung. Eine einzige Frequenz, die den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, bewirkt, dass ein Gerät den Nachweistest nicht besteht.

Wie sich elektromagnetische Störungen minimieren lassen

Es sind mehrere Möglichkeiten entwickelt worden, die elektromagnetische Störung zu minimieren und die Abstrahlungen zu vermindern. Dazu gehören Abschirmung, Filterung, Isolation, Ferritperlen, Kontrolle der Anstiegsgeschwindigkeit und ein gutes Leiterplattenlayout mit getrennten Signal-, Ground- und Versorgungsspannungslagen. Diese Methoden können einzeln oder in Verbindung mit anderen benutzt werden. Während die Abschirmung eine relativ einfache Lösung zur Verringerung der elektromagnetischen Störung ist, ist sie eine teure mechanische Implementierung, die für tragbare und mobile Geräte überhaupt nicht geeignet ist.

Hohe Taktraten erfordern besondere Maßnahmen

Das Filtern und geringe Flankenanstiegsgeschwindigkeiten können bei niedrigen Frequenzen eine effektive Lösung sein, aber nicht bei den heute üblichen, sehr hohen Signalübertragungsgeschwindigkeiten. Besondere Leiterplatten-Layouttechniken neigen ihrerseits dazu, zeitaufwendig und für ein System einzigartig zu sein, was bedeutet, dass eine Layouttechnik, die in einem System benutzt wird und erfolgreich ist oder war, nicht genau auf ein anderes System übertragen werden kann und dort nicht den gewünschten Erfolg erzielt.

Spread-Spectrum-Taktgeber verteilen die Energie

Spread-Sprectrum-Taktgebung hingegen ist eine weitere Methode, die immer sehr effektiv benutzt werden kann, um die Ausstrahlung von elektromagnetischen Feldern zu vermindern, wenn das Clocksystem oder davon abgeleitete Schnittstellen/Interfaces/Busse als die störende Größe oder große Unbekannte auftreten. In diesem Artikel wird explizit dargelegt, wie Spread-Spectrum-Taktgeneratoren eingesetzt werden können, um die Ausstrahlung von elektromagnetischen Störungen zu senken.

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SSDCs verringern die abgestrahlten Spitzen

Bei der Spread-Spectrum-Taktgebung wird die konzentrierte Energie eines Schmalbandsignals über ein breiteres Band ausgebreitet, wodurch die abgestrahlten Spitzen verringert werden. Spread-Spectrum-Taktgebung kann man sich als Frequenzmodulation des Eingangsbezugstakts mit kontrollierter Frequenzabweichung (?f) und Modulationsgeschwindigkeit vorstellen, wobei der modulierte Ausgangstakt seine Frequenz wiederholt mit der Zeit zwischen zwei festen Frequenzpunkten wobbelt (Bild 1).

Die Gesamtenergie im Signal bleibt konstant

Da die Gesamtenergie, die in dem Signal enthalten ist, konstant bleibt und über einen Bereich von Frequenzen verteilt wird, wird die Spitzenemission bei jeder einzelnen Frequenz verringert. Da das Frequenzband breiter gemacht wird, wird die Spitzenenergie mehr verringert. Mit dieser Technik können die Spitzen der elektromagnetischen Störung auf etwa 2 dB bis 18 dB verringert werden. Solche Taktgeneratoren, die einen Spread-Spectrum-Takt (SS) erzeugen, werden Spread-Spectrum-Clock-Generatoren (SSCG) genannt. Beispiele sind der CY25701, CY25100 oder die CY254x/254xx-Serie von CYPRESS Semiconductor.

Die meisten SSCGs sind kaum größer als ein herkömmlicher Quarz oder Oszillator, lassen sich aber zusätzlich in der Frequenz konfigurieren/programmieren (Bild 2).

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