Verminderung der magnetischen Nahfeldeinkopplung auf Leiterplattenebene durch reziproke Systemanalysen

Abstract

Die Untersuchung hinsichtlich der elektromagnetischen Störfestigkeit ist ein Schwerpunkt des EMV-gerechten Leiterplatten (PCB) Designs. Die infolge der fortschreitenden Miniaturisierung stetig kleiner werdenden PCBs weisen immer mehr Intrasystemstörungen auf und bedürfen daher einer sorgfältigeren Betrachtung. Durch den limitierten Platz und aus Kostengründen können konventionelle EMV-Maßnahmen wie z.B. Schirmungen nicht verwendet werden. Darüber hinaus ist häufig die magnetische Nahfeldeinkopplung bei niedrigen Frequenzen ein schwerwiegendes Problem, da durch Masseebenen keine signifikante Emissionsminderung erreicht werden kann. In der Literatur [1] [4] werden einige Verfahren beschrieben, die die magnetische Einkopplung reduzieren können. Jedoch beziehen sich diese Methoden oft auf das (magnetische) Übersprechen zwischen zwei benachbarten Leitungen, was durch sog. GuardTraces erfolgreich bei hohen Frequenzen gedämpft werden kann. Zur Abschirmung eines starken einfallenden Magnetfeldes bei relativ niedrigen Frequenzen können Materialien wie Stahl, Mu-Metall oder Superpermalloy verwendet werden. Ein typisches, praxisnahes Beispiel für magnetische Intrasystemstörungen tritt bei Mixed-SignalSchaltungen schon bei relativ kleinen Frequenzen auf. Das in der Regel breitbandige digitale Rauschen koppelt dabei in die analoge Schaltung ein und kann zu erheblichen PerformanceEinbußen führen. Für eine umfassende Analyse und Optimierung muss Simulationssoftware verwendet werden, die sich mittlerweile in vielen PCB-Designprozess etabliert hat. Jedoch hat man damit nur die grundsätzliche Möglichkeit verschiedene PCB-Layouts durch einen „Trial and Error“ Prozess zu optimieren. Die eigentliche Ursache der magnetischen Feldeinkopplung bleibt unbekannt, was der Komplexität der untersuchten PCBs geschuldet ist. In diesem Beitrag wird eine Methodik präsentiert, die eine Analyse und Reduktion der magnetischen Nahfeldkopplung auf PCB-Ebene erlaubt. Während die eigentlichen Störquellen durch einen Nahfeldscan [5] oder 3DFeldsimulation identifiziert werden, wird deren Reduktion durch das Reziprozitätsprinzip beschrieben. Die Einschränkung der Methodik besteht darin, dass die relevanten PCBStrukturen elektrisch klein in Bezug auf die kleinste Wellenlänge sind und als lineares System interpretierbar sein müssen, um die Reziprozität zu gewährleisten. Als Anwendungsbeispiel wird die PCB eines kommerziellen Hörgeräts (Abb. 1) betrachtet. Die Untersuchungen wurden mithilfe eines 3D-Feldsimulationsprogramms analog zu [6] durchgeführt, da ein Nahfeldscan der Struktur infolge des komplexen 3D-Designs nicht praktikabel war. Nichtsdestotrotz wurden Nahfeldscans an der planaren Platine durchgeführt, um die Quellregionen des störenden Magnetfeldes zu verifizieren. Moderne Hörgeräte beinhalten diverse getaktete Signalverarbeitungsund Verstärkerblöcke in einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis (ASIC). Außerdem werden integrierte Funksysteme für die Kommunikation zwischen den Ohren (e2e) oder zur körperfernen Kommunikation mit Zubehöroder Mobilgeräten verwendet. Im betrachteten Fall liegt ein ultra-leistungsarmes magnetisches Nahfeldkommunikationssystem vor mit einer Resonanzfrequenz von fres = 3.3MHz und einer Ferritstabspule. Jegliche magnetische Störeinkopplung während des Signalempfangs vermindert die Sensitivität des Empfängers. Die getakteten Signale des ASICs erzeugen in Kombination mit den Entstörkondensatoren und Zuleitungen Magnetfelder, die in die Ferritstabspule einkoppeln. Da die PCB nur wenige Zentimeter groß ist, kann sie in Bezug auf die Resonanzfrequenz fres als elektrisch klein angesehen werden. Da die Spule ausschließlich mit einem Kleinsignal betrieben wird, treten keine nichtlinearen Sättigungserscheinungen auf. Außerdem wird der digitale Signalverarbeitungs-ASIC als lineare Störstromquelle innerhalb eines vereinfachten ASIC-Modells (Makromodell) betrachtet. Somit können die koppelnden Schaltungsteile als linear angenommen werden und mithilfe des Reziprozitätsprinzips betrachtet werden.