EMV: störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen ; mit 16 Fallbeispielen

Dieses Buch stellt erstmalig eine Methodik für die Analyse und die Lösung der EMV-Problematik vor. Sie basiert auf einer eingehenden Betrachtung der Koppelmechanismen und auf der vom Verfasser entwickelten "Stromanalyse". Damit kann die Entwicklung elektronischer Produkte preiswerter, deutlich schneller und mit wesentlich besseren EMV-Eigenschaften realisiert werden. Insbesondere für die Gestaltung der Masse wird eine durchgehende neue Methodik entwickelt, die sich schon anwenden lässt, wenn Schaltungseinzelheiten noch gar nicht vorliegen. Dies macht eine EMV-Planung überhaupt erst möglich. Die Methodik ersetzt das rezeptartige "Anwenden von EMV-Maßnahmen" durch ein Verständnis der sehr komplexen Zusammenhänge der parasitären Eigenschaften elektronischer Schaltungen. Aus EMV-Sicht ungünstige Entscheidungen werden von Anfang an vermieden. Die in den vorhergehenden Auflagen dargestellte Methodik der EMV-Planung wurde weiterentwickelt und einige Verbesserungen und Ergänzungen vorgenommen. Insbesondere wird die Simulation der Abblockung bei einem aus durchgehenden Lagen bestehenden Versorgungs- und Massesystem auf Multilayern vorgestellt; mit ihr können komplexe Abblockmaßnahmen geplant und überprüft werden. Cover......Page 1 EMV, 4. Auflage......Page 3 ISBN 9783834808936......Page 4 Vorwort......Page 6 Vorwort zur vierten Auflage......Page 8 Inhaltsverzeichnis......Page 10 Schreibweisen und Hinweise......Page 16 1 Einleitung......Page 18 2.1 Das Modell der Storbeein.ussung ̈......Page 24 2.2 Spannungsund Stromubertragung ̈......Page 25 2.3 Der Storabstand ̈ als Gutekriterium ̈......Page 26 2.4.1 Stromquelle mit einem Operationsverstark ̈ er......Page 28 2.4.2 Stromquelle mit einem Transistor......Page 29 2.4.3 Stromquelle mit Operationsverstark ̈ er und Transistor......Page 31 2.4.4 Auswahl einer geeigneten Stromquelle......Page 32 2.4.5 Stromempfanger ̈......Page 33 2.5 Unsymmetrische und symmetrische Ubertragung ̈......Page 34 2.6 Teilkapazitat ̈ und Betriebskapazitat ̈......Page 37 2.7 Selbstinduktivitat ̈ und Gegeninduktivitat ̈......Page 40 2.8.1 Das Ersatzschaltbild von Leitungen......Page 45 2.8.2 Das Ersatzschaltbild von Widerstanden ̈......Page 47 2.8.3 Das Ersatzschaltbild von Kondensatoren......Page 48 2.8.4 Das Ersatzschaltbild von Spulen......Page 51 2.8.5 Das Ersatzschaltbild von Transistoren......Page 54 2.8.6 Transformatoren und EMV......Page 56 3.1.1 Kapazitive Kopplung in unsymmetrische Signalkreise......Page 60 3.1.2 Amplitudengang der eingekoppelten Storung ̈......Page 62 3.1.3 Kapazitive Kopplung in symmetrische Signalkreise......Page 64 3.2.1 Induktive Kopplung in Signalkreise......Page 65 3.2.2 Induktive Kopplung von Gleichtaktstorungen ̈ in symmetrische Signalkreise......Page 68 3.2.3 Dampfung ̈ magnetischer Felder durch Kurzschlussringe......Page 69 3.3 Impedanzkopplung......Page 72 3.3.1 Impedanzkopplung in unsymmetrische Signalkreise......Page 73 3.4 Kopplung durch elektromagnetische Felder......Page 75 3.5 Zusammenfassung......Page 76 4.1 Die Stromanalyse......Page 78 4.2 Das Verfahren der Verschiebung der Knotenpunkte......Page 80 4.3 Beispiele zur Stromanalyse und Verschiebung der Knotenpunkte......Page 82 4.4 Die Stromumschaltanalyse......Page 84 5.1 Das Wechselstrom-Ersatzschaltbild fur ̈ die Abblockung......Page 88 5.2 Strome ̈ auf dem Masseund Versorgungssystem......Page 94 5.3 Gruppenabblockung und Einzelabblockung......Page 99 5.4 Auswahl geeigneter Abblockkondensatoren......Page 101 5.5 Parallelschaltung von Abblockkondensatoren......Page 102 5.6 Anschluss von Kondensatoren......Page 106 5.7 Logik-Fehler und Strahlung bei digitalen ICs durch Ground Bounce......Page 111 5.8 Beispiele fur ̈ das Layout des Versorgungsspannungssystems......Page 113 5.9 Abblockung auf Zweilagenleiterplatten – Zusammenfassung......Page 118 5.10 Abblockung auf Multilayern......Page 119 5.10.1 Die Impedanz des Abblocksystems......Page 120 5.10.2 Ein einfaches Modell des Leiterplattenkondensators......Page 124 5.10.3 Stehende Wellen auf dem Masse-/Versorgungssystem......Page 125 5.10.4 Berechnung des Abschlusswiderstandes einer rechteckigen Leiterplatte......Page 132 5.10.5 Abblockmaßnahmen......Page 135 5.10.6 Abblockung auf Multilayern – Zusammenfassung......Page 149 5.11 Simulation des Versorgungssystems mit SPICE......Page 151 5.11.1 Dimensionierung der Elemente des Simulationsmodells......Page 152 5.11.2 Erstellen des Simulationsmodells der Testleiterplatte......Page 154 5.11.3 Vergleich von Simulationsund Messwerten......Page 157 6.1 Reihenmassestruktur......Page 160 6.2 Masseschleifen......Page 163 6.3 Entkopplungsmethoden......Page 165 6.3.1 Vermaschung......Page 166 6.3.2 Sternstruktur......Page 167 6.3.3 Galvanische Trennung......Page 170 6.3.4 Differenzbildung......Page 171 6.3.5 Stromkompensierte Drossel (Gleichtaktdrossel)......Page 173 6.3.6 Schutzleiterdrossel......Page 176 6.3.7 Getrenntes Potentialbezugssystem......Page 177 6.3.8 Symmetrische Struktur......Page 178 6.3.9 Stromubertragung ̈......Page 181 6.3.11 Weitere Entkopplungsmethoden durch Anderung ̈ der Signalgroße ̈......Page 182 7 Planung der EMV von Baugruppen, Geraten ̈ und Anlagen......Page 184 7.1 EMV-Zonen......Page 185 7.1.1 Einrichten von EMV-Zonen in elektronischen Schaltungen......Page 186 7.1.2 Ein leitfahiges ̈ Gerategeh ̈ ause ̈ als EMV-Zonengrenze......Page 188 7.1.3 Konstruktive Voraussetzungen fur ̈ EMV-Filter......Page 189 7.2 Massestruktur von Baugruppen......Page 190 7.2.1 Verkopplung einer Baugruppe mit der Umgebung......Page 191 7.2.2 Entkopplung durch Sternstruktur......Page 193 7.2.3 Verkopplung durch kapazitiven Ruckschluss ̈......Page 194 7.2.4 Entkopplung zwischen Baugruppe und Umgebung durch eine weitere Masseschleife......Page 195 7.2.5 Maßnahmen bei ungunstiger ̈ Platzierung der Anschlusse ̈......Page 196 7.2.6 Entwicklungbegleitendes Testverfahren zur Prufung ̈ des Massesystems......Page 197 7.3 Strahlungskopplung bei ungunstiger ̈ Massestruktur......Page 198 7.3.1 Teilmassen und Kabel als Antennenstrukturen......Page 199 7.3.2 Strahlung von ICs durch Ground-Bounce......Page 203 7.3.3 Strahlung von Schlitzantennen......Page 207 7.4 Massestrukturen von Geraten ̈......Page 210 7.5 Masseschleifen und Kopplungen in einer Anlage......Page 217 7.6.1 Transferadmittanz und Transferimpedanz......Page 219 7.6.2 Einoder beidseitiger Anschluss von Kabelschirmen......Page 222 7.6.3 Anschluss von Kabeln......Page 224 7.7 Zonen mit de.niertem Massebezugspotential......Page 228 7.8 Strukturierung der Masse digitaler Schaltungen......Page 229 7.9 Zusammenfassung......Page 231 8.1 Das klassische Spannungsteiler-Problem......Page 234 8.2 Stereoverstark ̈ er......Page 237 8.3 Beispiele fur ̈ Stromubertragung ̈......Page 241 8.4 Ein strahlendes Kabel......Page 244 8.5 Messfehler bei elektronischen Messgeraten ̈ durch Massestrome. ̈......Page 245 8.6 Signalstruktur hochstemp.ndlicher ̈ analoger Messschaltungen......Page 246 8.7 Storungen ̈ an einem Personal Computer......Page 247 8.8 Ungunstige ̈ Massestruktur einer zugekauften Baugruppe......Page 248 8.9 Brummstorungen ̈ an einer Telefonanlage......Page 251 8.10 Verbindung von Analogund Digitalmasse......Page 253 8.11 Strukturierung einer Digitalschaltung mit einem schnellen Schaltungskern......Page 254 8.12 Planung an einem Baugruppentrager ̈......Page 256 8.13 EMV-gerechte konstruktive Gerategestaltung ̈......Page 259 8.14 Strahlung einer Baugruppe mit LCD-Display......Page 260 8.15 Analyse von Schaltnetzteilen......Page 261 8.15.1 Analyse eines Aufwartswandlers ̈......Page 264 8.15.2 Analyse eines Abwartswandlers ̈......Page 266 8.15.3 Analyse eines Flyback Reglers......Page 267 8.16.1 Problemstellung......Page 269 8.16.2 Analyse der Storungen ̈......Page 270 8.16.3 Losungsans ̈ atze ̈......Page 271 8.16.4 Die Kommutierung und die kritische Masche......Page 276 8.16.5 Integration von Umrichter-Leistungsteil und Motor......Page 279 8.17 Zusammenfassung......Page 280 9 Abschließende Betrachtungen......Page 282 Literaturverzeichnis......Page 286 Sachwortverzeichnis......Page 290 Cover 1 EMV, 4. Auflage 3 ISBN 9783834808936 4 Vorwort 6 Vorwort zur vierten Auflage 8 Inhaltsverzeichnis 10 Schreibweisen und Hinweise 16 1 Einleitung 18 2 Grundbegriffe und Grundlagen 24 2.1 Das Modell der Storbeein.ussung ̈ 24 2.2 Spannungsund Stromubertragung ̈ 25 2.3 Der Storabstand ̈ als Gutekriterium ̈ 26 2.4 Quellen und Empfanger ̈ fur ̈ die Stromubertragung ̈ 28 2.4.1 Stromquelle mit einem Operationsverstark ̈ er 28 2.4.2 Stromquelle mit einem Transistor 29 2.4.3 Stromquelle mit Operationsverstark ̈ er und Transistor 31 2.4.4 Auswahl einer geeigneten Stromquelle 32 2.4.5 Stromempfanger ̈ 33 2.5 Unsymmetrische und symmetrische Ubertragung ̈ 34 2.6 Teilkapazitat ̈ und Betriebskapazitat ̈ 37 2.7 Selbstinduktivitat ̈ und Gegeninduktivitat ̈ 40 2.8 EMV-Ersatzschaltbilder von Bauelementen 45 2.8.1 Das Ersatzschaltbild von Leitungen 45 2.8.2 Das Ersatzschaltbild von Widerstanden ̈ 47 2.8.3 Das Ersatzschaltbild von Kondensatoren 48 2.8.4 Das Ersatzschaltbild von Spulen 51 2.8.5 Das Ersatzschaltbild von Transistoren 54 2.8.6 Transformatoren und EMV 56 3 Kopplungsmechanismen 60 3.1 Kapazitive Kopplung 60 3.1.1 Kapazitive Kopplung in unsymmetrische Signalkreise 60 3.1.2 Amplitudengang der eingekoppelten Storung ̈ 62 3.1.3 Kapazitive Kopplung in symmetrische Signalkreise 64 3.2 Induktive Kopplung 65 3.2.1 Induktive Kopplung in Signalkreise 65 3.2.2 Induktive Kopplung von Gleichtaktstorungen ̈ in symmetrische Signalkreise 68 3.2.3 Dampfung ̈ magnetischer Felder durch Kurzschlussringe 69 3.3 Impedanzkopplung 72 3.3.1 Impedanzkopplung in unsymmetrische Signalkreise 73 3.3.2 Impedanzkopplung in symmetrische Signalkreise 75 3.4 Kopplung durch elektromagnetische Felder 75 3.5 Zusammenfassung 76 4 Verfahren 78 4.1 Die Stromanalyse 78 4.2 Das Verfahren der Verschiebung der Knotenpunkte 80 4.3 Beispiele zur Stromanalyse und Verschiebung der Knotenpunkte 82 4.4 Die Stromumschaltanalyse 84 5 Abblockung elektronischer Schaltungen 88 5.1 Das Wechselstrom-Ersatzschaltbild fur ̈ die Abblockung 88 5.2 Strome ̈ auf dem Masseund Versorgungssystem 94 5.3 Gruppenabblockung und Einzelabblockung 99 5.4 Auswahl geeigneter Abblockkondensatoren 101 5.5 Parallelschaltung von Abblockkondensatoren 102 5.6 Anschluss von Kondensatoren 106 5.7 Logik-Fehler und Strahlung bei digitalen ICs durch Ground Bounce 111 5.8 Beispiele fur ̈ das Layout des Versorgungsspannungssystems 113 5.9 Abblockung auf Zweilagenleiterplatten – Zusammenfassung 118 5.10 Abblockung auf Multilayern 119 5.10.1 Die Impedanz des Abblocksystems 120 5.10.2 Ein einfaches Modell des Leiterplattenkondensators 124 5.10.3 Stehende Wellen auf dem Masse-/Versorgungssystem 125 5.10.4 Berechnung des Abschlusswiderstandes einer rechteckigen Leiterplatte 132 5.10.5 Abblockmaßnahmen 135 5.10.6 Abblockung auf Multilayern – Zusammenfassung 149 5.11 Simulation des Versorgungssystems mit SPICE 151 5.11.1 Dimensionierung der Elemente des Simulationsmodells 152 5.11.2 Erstellen des Simulationsmodells der Testleiterplatte 154 5.11.3 Vergleich von Simulationsund Messwerten 157 6 Masse- und Signalstrukturen 160 6.1 Reihenmassestruktur 160 6.2 Masseschleifen 163 6.3 Entkopplungsmethoden 165 6.3.1 Vermaschung 166 6.3.2 Sternstruktur 167 6.3.3 Galvanische Trennung 170 6.3.4 Differenzbildung 171 6.3.5 Stromkompensierte Drossel (Gleichtaktdrossel) 173 6.3.6 Schutzleiterdrossel 176 6.3.7 Getrenntes Potentialbezugssystem 177 6.3.8 Symmetrische Struktur 178 6.3.9 Stromubertragung ̈ 181 6.3.10 Filter 182 6.3.11 Weitere Entkopplungsmethoden durch Anderung ̈ der Signalgroße ̈ 182 7 Planung der EMV von Baugruppen, Geraten ̈ und Anlagen 184 7.1 EMV-Zonen 185 7.1.1 Einrichten von EMV-Zonen in elektronischen Schaltungen 186 7.1.2 Ein leitfahiges ̈ Gerategeh ̈ ause ̈ als EMV-Zonengrenze 188 7.1.3 Konstruktive Voraussetzungen fur ̈ EMV-Filter 189 7.2 Massestruktur von Baugruppen 190 7.2.1 Verkopplung einer Baugruppe mit der Umgebung 191 7.2.2 Entkopplung durch Sternstruktur 193 7.2.3 Verkopplung durch kapazitiven Ruckschluss ̈ 194 7.2.4 Entkopplung zwischen Baugruppe und Umgebung durch eine weitere Masseschleife 195 7.2.5 Maßnahmen bei ungunstiger ̈ Platzierung der Anschlusse ̈ 196 7.2.6 Entwicklungbegleitendes Testverfahren zur Prufung ̈ des Massesystems 197 7.3 Strahlungskopplung bei ungunstiger ̈ Massestruktur 198 7.3.1 Teilmassen und Kabel als Antennenstrukturen 199 7.3.2 Strahlung von ICs durch Ground-Bounce 203 7.3.3 Strahlung von Schlitzantennen 207 7.4 Massestrukturen von Geraten ̈ 210 7.5 Masseschleifen und Kopplungen in einer Anlage 217 7.6 Verbindung von Baugruppen 219 7.6.1 Transferadmittanz und Transferimpedanz 219 7.6.2 Einoder beidseitiger Anschluss von Kabelschirmen 222 7.6.3 Anschluss von Kabeln 224 7.7 Zonen mit de.niertem Massebezugspotential 228 7.8 Strukturierung der Masse digitaler Schaltungen 229 7.9 Zusammenfassung 231 8 Fallbeispiele 234 8.1 Das klassische Spannungsteiler-Problem 234 8.2 Stereoverstark ̈ er 237 8.3 Beispiele fur ̈ Stromubertragung ̈ 241 8.4 Ein strahlendes Kabel 244 8.5 Messfehler bei elektronischen Messgeraten ̈ durch Massestrome. ̈ 245 8.6 Signalstruktur hochstemp.ndlicher ̈ analoger Messschaltungen 246 8.7 Storungen ̈ an einem Personal Computer 247 8.8 Ungunstige ̈ Massestruktur einer zugekauften Baugruppe 248 8.9 Brummstorungen ̈ an einer Telefonanlage 251 8.10 Verbindung von Analogund Digitalmasse 253 8.11 Strukturierung einer Digitalschaltung mit einem schnellen Schaltungskern 254 8.12 Planung an einem Baugruppentrager ̈ 256 8.13 EMV-gerechte konstruktive Gerategestaltung ̈ 259 8.14 Strahlung einer Baugruppe mit LCD-Display 260 8.15 Analyse von Schaltnetzteilen 261 8.15.1 Analyse eines Aufwartswandlers ̈ 264 8.15.2 Analyse eines Abwartswandlers ̈ 266 8.15.3 Analyse eines Flyback Reglers 267 8.16 Entstorung ̈ von IGBT-Umrichtern 269 8.16.1 Problemstellung 269 8.16.2 Analyse der Storungen ̈ 270 8.16.3 Losungsans ̈ atze ̈ 271 8.16.4 Die Kommutierung und die kritische Masche 276 8.16.5 Integration von Umrichter-Leistungsteil und Motor 279 8.17 Zusammenfassung 280 9 Abschließende Betrachtungen 282 Literaturverzeichnis 286 Sachwortverzeichnis 290 3834808938,9783834808936 Vieweg+Teubner 2010