EMV: Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen

247 Pages·2008·2.871 MB·German

by  Dr.Ing. Joachim Franz (auth.)

Joachim Franz
EMV
Joachim Franz
EMV
Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen
3., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 225 Abbildungen und 16 Fallbeispielen
STUDIUM
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Dr.-Ing. Joachim Franz war Akademischer Oberrat am Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und
Messtechnik der Universität Hannover.
1. Auflage 2002
2. Auflage 2005
3.,erweiterte und überarbeitete Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner Verlag|GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008
Lektorat: Harald Wollstadt
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Umschlaggestaltung:KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8351-0236-1
Vorwort
HerstellerelektronischerSchaltungenmu¨ssenseitdem1.1.1996dieelektromagnetische
Vertra¨glichkeit (EMV) ihrer Gera¨te nachweisen. Auch vorher gab es EMV-Probleme.
Und Schaltungen, die unter EMV-Gesichtspunkten entwickelt wurden, liefen stabiler
beigeringeremSchaltungs-und Entwicklungsaufwand.AusdieserErkenntnisgingich
bereitsinden60erJahrenalsSchaltungsentwicklerinderIndustriedenEMV-Problemen
nach und a¨nderte meine Entwurfsmethodik. Eine solche Vorgehensweise zahlte sich
schon damals aus. Trotzdem waren die meisten Entwickler – wie heute – der Ansicht,
fu¨r eine Analyse der Schmutzeffekte“ keine Zeit zu haben. Auch die in diesem Buch
”
dargestellteStromanalysewurdeinden60erJahrenimAnsatzschonmitErfolgeinge-
setzt;ihregroßeBedeutungfu¨rdieEMV-Analysewarabernochnichterkanntworden.
DieEinrichtungeinesLaboratoriumsversuchsanderUniversita¨tHannoverzumThema
EMV im Jahre 1975 (!) wurde von Vielen noch mit Verwunderung aufgenommen. Die
Vorteile der Beru¨cksichtigung der EMV bei der Planung wurden aber sehr schnell bei
praktischenAufbauteninStudien-undDiplomarbeitendeutlich:Obwohlha¨ufigsehran-
spruchsvolleEMV-Problemevorlagen,liefendieSchaltungenaufAnhiebstabil.Fu¨rRe-
designswa¨renauchwederGeldnochZeitvorhandengewesen–derEtatdesInstitutswar
zu begrenzt, und die Pru¨fungsarbeiten der Studenten sind zeitlich terminiert. Eine Rei-
heunsererAbsolvententrugdieerlernteArbeitsweiseindieindustriellePraxis.Dadurch
kamenvieleIndustriekontakteundeinvomBundesministeriumfu¨rForschungundTech-
nologiegefo¨rdertesEMV-Forschungsprojekt( EMC-Simulationssystemfu¨rdieAufbau-
”
und Verbindungstechniken“) zustande. So konnte eine Vielzahl von Anwendungsfa¨llen
aufihrentheoretischenHintergrunduntersuchtwerden.DieimBuchdargestelltenVer-
fahren wurden fu¨r das genannte Forschungsprojekt aufbereitet oder entwickelt. Nach
und nach wurde die grundlegende Bedeutung der Verfahren fu¨r die EMV-Arbeit des
Schaltungsentwicklersimmerdeutlicher.
DasvorliegendeBuchistsowohlausderPraxisderEntwicklerta¨tigkeitinderIndustrie
und an der Universita¨t als auch aus der theoretischen Arbeit u¨ber EMV-Probleme ent-
standen. Es wurde aus der Absicht heraus geschrieben, dem Entwickler eine einfache
und wirkungsvolleSystematik fu¨r die EMV-Arbeitan die Hand zu geben, damit er aus
demStadiumeinerEntwicklungnach VersuchundIrrtum“herausfindet.Voraussetzung
”
dafu¨rist,dassdieZusammenha¨ngenichtalsKonglomeratausbeziehungslosnebenein-
ander stehenden Einzelpha¨nomenen dargestellt werden, sondern dass eine Denk- und
Sichtweise(Theorie1)entwickeltwird,mitderdiePha¨nomenezueinanderinBeziehung
gesetztwerden.SowurdemitHilfederStromanalysefu¨rdengesamtenBereichderIm-
pedanzkopplungunddamitfu¨reinenwesentlichenundwohldenunu¨bersichtlichstenBe-
reichderEMVeineeinfache,leichtzuhandhabende,durchgehendeMethodikerarbeitet.
1vongriech. :(wissenschaftliche)Betrachtung
VI
Beieinerfu¨rdenPraktikerbestimmtenDarstellunghatdermathematischeAufwandim
Hintergrundzubleiben.DieentwickelteSystematikmachtdiesauchmo¨glich.
Mit dieser beschriebenen Methodik wurden in einer Reihe von Firmen, die sie konse-
quenteinsetzenundnunfu¨rihrePrototypeneineexzellenteEMVohneRedesignserrei-
chen, Entwicklungszeiten und Kosten drastisch reduziert. Ihre Anwendung fu¨hrte auch
bei der Entwicklung einer CCD-Stereo-Fernsehkamera fu¨r Weltraumeinsa¨tze im Max-
Planck-Institutfu¨rAeronomieinKatlenburg-Lindau(Harz)erstzumgewu¨nschtenZiel.
Die Kamera war im Jahre 1997 mit der Mars-Pathfinder-Sonde auf dem Mars gelandet
und hatte die bekannten herrlichen und eindrucksvollen Bilder von der Marsoberfla¨che
aufgenommen. Ihre Zuverla¨ssigkeit wurde in den Medien besonders hervorgehoben –
mitSicherheitaucheinErgebniseinerexzellentenEMV.
DieerstenKapiteldiesesBuchesumfassendieGrundlagen;siesindineinigenwesentli-
chenPunktenandersalsu¨blichdargestellt.DageradedieseUnterschiedezumVersta¨nd-
nis der nachfolgenden Kapitel wichtig sind, wird empfohlen, diese Kapitel zuerst zu
studieren. Der Aufbau des Buches la¨sst aber neben einem Studium unter Einhaltung
derReihenfolgeauchdieBenutzungalsNachschlagewerkzu.ZahlreicheQuerverweise
sowiedasSachwortverzeichnishelfen,allenotwendigenZusammenha¨ngezuerhalten.
Dankgebu¨hrtdenProfessoren,vielenKollegenundStudentenamInstitutfu¨rGrundla-
genderElektrotechnikundMesstechnikderUniversita¨tHannoverfu¨rdieUnterstu¨tzung
dieserArbeit,fu¨rAnregungen,DiskussionenundKorrekturen.BesondererDankgiltden
HerrenDipl.-Ing.AxelKnoblochundDr.-Ing.RobertKebelfu¨rihreaufopferungsvolle
Ta¨tigkeit des Korrekturlesens, ihre Kritik und die vielen Anregungen fu¨r Verbesserun-
gen. Gedankt sei an dieser Stelle denjenigen Studenten, die den Wagemut hatten, in
ihrenStudien-undDiplomarbeitenzudiesemThemazuneuenUfernaufzubrechen.Sie
wurden dafu¨r immer mit wichtigen, neuen Ergebnissen und Einsichten belohnt. Und
schließlich danke ich meiner Frau fu¨r ihre große Geduld, die sie mir bei der Arbeit an
diesemBuchentgegenbrachte.IhrseidiesesBuchgewidmet.
Hannover,Fru¨hjahr2002 JoachimFranz
Vorwort zur zweiten Auflage
DasKonzeptdesBuches,dieEMVdurcheineMethodikschonineinemEntwicklungs-
abschnittweitgehendplanbarzumachen,indemSchaltungseinzelheitennochgarnicht
vorliegen,hatsichinderPraxissehrbewa¨hrt.Eswurdebeibehaltenundvertieft.AmIn-
haltundAufbaudesBucheswurdeneinigeErga¨nzungenundVerbesserungenvorgenom-
men. Der Abschnitt Abblockung von Multilayern“ wurde durch neuere Untersuchun-
”
gen zur Lage von Abblockkondensatoren erga¨nzt. Im Kapitel Planung der EMV von
”
Gera¨tenundAnlagen“ werdennunzuna¨chstoptimaleStrukturenhergeleitet;siewerden
dann aber auch U¨berlegungen gegenu¨bergestellt, was getan werden kann, wenn diese
optimalenStukturenz.B.ausergonomischenGru¨ndennichtverwendetwerdenko¨nnen.
Außerdem wurde in dieses Kapitel ein Abschnitt Strahlungskopplung bei ungu¨nstiger
”
Massestruktur“ aufgenommen,indemdieProblematikderAbstrahlungundStrahlungs-
empfindlichkeit elektronischer Schaltungen gegenu¨ber der ersten Auflage zusammen-
gefasst und, insbesondere zur Abstrahlung durch Ground Bounce, vertieft dargestellt
wurde. Hierin flossen die neuesten Erfahrungen aus EMV-Beratungen in der Industrie
ein.AuchimKapitel Fallbeispiele“ wurdenBeispielefu¨reineEMV-gu¨nstigekonstruk-
”
tiveGestaltungneuaufgenommenoderdieserGesichtpunktsta¨rkerherausgearbeitetund
damitdiehoheBedeutungeinerEMV-AnalysevorFestlegungderkonstruktivenGestal-
tungeinesGera¨tesodereinerAnlageunterstrichen.
HerzlicherDankgebu¨hrtdemInstitutfu¨rGrundlagenderElektrotechnikundMesstech-
nik der Universita¨t Hannover und im besonderen Herrn Dipl.-Ing. Sven Fisahn fu¨r die
Mo¨glichkeitundUnterstu¨tzung,Messungenfu¨rdieneuerenUntersuchungenzurAbblo-
ckung auf Multilayern durchzufu¨hren, sowie den Herren Dr.-Ing. Axel Knobloch und
Dr.-Ing.Karl-DieterTiestefu¨rdiemu¨hevolleArbeitdesKorrekturlesensunddievielen
Anregungen.
Springe,imJanuar2005 JoachimFranz
Vorwort zur dritten Auflage
DieimBuchvorgestellteMethodikderEMV-Planungwurdeweiterentwickelt.Eswur-
den einige Erga¨nzungen und Verbesserungen vorgenommen. So ist das Kapitel Pla-
”
nungderEMVvonBaugruppen,Gera¨tenundAnlagen“ neugegliedert.Herausgearbei-
tetwurdendergezielteEinsatzvonMasseschleifenzurErho¨hungderSto¨rungsda¨mpfung
zwischenEMV-ZonenunddieAnalysevonGera¨tenohneSchutzleiteranschluss.Indie
FallbeispielewurdedieAnalyseverschiedenerFormenvonmitICsaufgebautenSchalt-
netzteilenneuaufgenommen;darauswerdennichtnurdieUrsachendervondiesenweit
verbreitetenSchaltnetzteilenverursachtenSto¨rungendeutlichsondernauch,wiesolche
Sto¨rungensicherzuvermeidensind.
Herzlicher Dank gebu¨hrt wieder dem Institut fu¨r Grundlagen der Elektrotechnik und
MesstechnikderUniversita¨tHannoverfu¨rdieMo¨glichkeitundUnterstu¨tzung,Messun-
gen durchfu¨hren zu ko¨nnen, sowie Herrn Dr.-Ing. Axel Knobloch fu¨r die mu¨hevolle
ArbeitdesKorrekturlesensunddievielenwertvollenAnregungen.
Springe,imJanuar2008 JoachimFranz
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 GrundbegriffeundGrundlagen 7
2.1 ModellderSto¨rbeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Spannungs-undStromu¨bertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 DerSto¨rabstandalsGu¨tekriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 SenderundEmpfa¨ngerfu¨rdieStromu¨bertragung . . . . . . . . . . 10
2.4.1 StromquellemiteinemOperationsversta¨rker . . . . . . . . . . 11
2.4.2 StromquellemitTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.3 StromquellemitOperationsversta¨rkerundTransistor . . . . . . 13
2.4.4 AuswahleinergeeignetenStromquelle . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.5 Stromempfa¨nger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 UnsymmetrischeundsymmetrischeU¨bertragung . . . . . . . . . . 16
2.6 Teilkapazita¨tundBetriebskapazita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 Selbstinduktivita¨tundGegeninduktivita¨t. . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 EMV-ErsatzschaltbildervonBauelementen . . . . . . . . . . . . . 23
2.8.1 DasErsatzschaltbildvonLeitungen . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8.2 DasErsatzschaltbildvonWidersta¨nden . . . . . . . . . . . . . 26
2.8.3 DasErsatzschaltbildvonKondensatoren . . . . . . . . . . . . . 27
2.8.4 DasErsatzschaltbildvonSpulen . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.5 DasEMV-ErsatzschaltbildvonTransistoren . . . . . . . . . . . 33
2.8.6 TransformatorenundEMV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
X Inhaltsverzeichnis
3 Kopplungsmechanismen 39
3.1 KapazitiveKopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 KapazitiveKopplunginunsymmetrischeSignalkreise . . . . . 39
3.1.2 AmplitudengangdereingekoppeltenSto¨rung . . . . . . . . . . 41
3.1.3 KapazitiveKopplunginsymmetrischeSignalkreise . . . . . . . 43
3.2 InduktiveKopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 InduktiveKopplunginSignalkreise . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 Induktive Kopplung von Gleichtaktsto¨rungen in symmetrische
Signalkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3 Da¨mpfungmagnetischerFelderdurchKurzschlussringe . . . . 48
3.3 Impedanzkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.1 ImpedanzkopplunginunsymmetrischeSignalkreise. . . . . . . 51
3.3.2 ImpedanzkopplunginsymmetrischeSignalkreise . . . . . . . . 53
3.4 KopplungdurchelektromagnetischeWellen . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Verfahren 55
4.1 DieStromanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 DasVerfahrenderVerschiebungderKnotenpunkte . . . . . . . . . 57
4.3 BeispielezurStromanalyseundVerschiebungderKnotenpunkte . . 59
4.4 DieStromumschaltanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5 AbblockungelektronischerSchaltungen 63
5.1 DasWechselstrom-Ersatzschaltbildfu¨rdieAbblockung. . . . . . . 63
5.2 Stro¨meaufdemMasse-undVersorgungssystem . . . . . . . . . . 68
5.3 GruppenabblockungundEinzelabblockung . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 AuswahlgeeigneterAbblockkondensatoren . . . . . . . . . . . . . 74
5.5 ParallelschaltungvonAbblockkondensatoren . . . . . . . . . . . . 75
5.6 AnschlussvonKondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.7 Logik-FehlerundStrahlungbeidigitalenICsdurchGroundBounce 84
Inhaltsverzeichnis XI
5.8 Beispielefu¨rdasLayoutdesVersorgungsspannungssystems . . . . 85
5.9 AbblockungaufZweilagenleiterplatten–Zusammenfassung . . . . 90
5.10 AbblockungaufMultilayern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.10.1 DieImpedanzdesAbblocksystems . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.10.2 StehendeWellenaufdenVersorgungslagen . . . . . . . . . . . 96
5.10.3 BerechnungdesAbschlusswiderstandeseinerrechteckigenLei-
terplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.10.4 EineinfachesModelldesLeiterplattenkondensators . . . . . . 104
5.10.5 Abblockmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.10.6 AbblockungaufMultilayern–Zusammenfassung . . . . . . . . 116
5.11 MessungdercharakteristischenGro¨ßenvonKondensatoren . . . . 118
5.12 MessungderLeiterplattenimpedanz . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 Masse-undSignalstrukturen 121
6.1 Reihenmassestruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 Masseschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3 Entkopplungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3.1 Vermaschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.2 Sternstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3.3 GalvanischeTrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3.4 Differenzbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.3.5 StromkompensierteDrossel(Gleichtaktdrossel) . . . . . . . . . 132
6.3.6 Schutzleiterdrossel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3.7 GetrenntesPotentialbezugssystem . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3.8 SymmetrischeStruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.3.9 Stromu¨bertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.10 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.11 WeitereEntkopplungsmethodendurchA¨nderungderSignalgro¨ße 141