Joachim Franz EMV Joachim Franz EMV Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen 4., erweiterte und überarbeitete Auflage Mit 240 Abbildungen und 16 Fallbeispielen STUDIUM Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. 1. Auflage 2002 2. Auflage 2005 3. Auflage 2008 4., erweiterte und überarbeitete Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Reinhard Dapper | Walburga Himmel Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläss ig und strafb ar. Das gilt insb es ondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die Ein speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. 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