EMC Design: So bestehen Sie CE/FCC-Tests beim ersten Versuch
Ein praktischer Leitfaden zu EMV-Konformitätstests, zum Leiterplattenlayout für niedrige Emissionen und zu häufigen Fehlerarten, die beim ersten Versuch zu Ausfällen im Testhaus führen.
Warum die meisten Produkte EMC beim ersten Versuch versagen
Ungefähr 50— 70% der Produkte bestehen bei der ersten Einreichung die EMC-Tests nicht. Die Kosten sind beträchtlich: Die Laborzeit beträgt „MATHINLINE_1“ 5.000 pro Tag, und ein fehlgeschlagener Test bedeutet, dass die Leiterplatte neu entworfen, Prototypen neu gebaut und neu gebucht werden müssen. Doch die meisten Fehler lassen sich durch gute Vorgangsmethoden verhindern.
In diesem Handbuch werden die häufigsten Fehlerursachen behandelt und erklärt, wie Sie diese beheben können, bevor Sie ein Testhaus betreten.
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Die Standards verstehen
CE-Kennzeichnung (Europa)
Für die CE-Kennzeichnung müssen elektronische Produkte der Richtlinie über elektromagnetische Verträglichkeit (2014/30/EU) entsprechen. Bei den meisten Produkten testen Sie gegen:
- CISPR 32 (Multimediagerät, ersetzt EN 55022)
- CISPR 25 (Fahrzeugkomponenten)
- EN 61000-4-x (Immunitätstests)
FCC Teil 15 (Vereinigte Staaten)
Teil 15B behandelt unbeabsichtigte Strahler — alles mit einer Taktfrequenz über 9 kHz. Klasse A ist für gewerbliche/industrielle Zwecke, Klasse B für private Zwecke.Wichtige Grenzwerte
| Standard | Test | Grenzwert (Klasse B) | Abstand |
|---|---|---|---|
| CISPR 32 | Bestrahlt | 30 dBμV/m (30—230 MHz) | 3 m |
| CISPR 32 | Leitend | 66—56 dBμV (0,15—30 MHz) | — |
| FCC 15B | Bestrahlt | 100 μV/m (30—88 MHz) | 3 m |
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Die Physik der EMI: Warum Leiterplatten strahlen
Jede Stromschleife auf Ihrer Leiterplatte ist eine kleine Antenne. Das elektrische Strahlungsfeld einer kleinen Schleife ist:
„MATHBLOCK_0“
wobei „MATHINLINE_2“ die Frequenz ist, „MATHINLINE_3“ der Schleifenbereich ist, „MATHINLINE_4“ der aktuelle Wert ist und „MATHINLINE_5“ die Entfernung zum Empfänger ist.
Aus dieser Gleichung ergeben sich drei Gestaltungshebel:
1. Reduzieren Sie die Schleifenbereich — halten Sie die Rückwege in der Nähe der Signalwege 2. Frequenzinhalt reduzieren — verwenden Sie langsamere Kanten, fügen Sie RC-Snubber hinzu 3. Strom reduzieren — Verwenden Sie einen Reihenklemmen, reduzieren Sie die Antriebsstärke
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Die 5 häufigsten Ursachen für Fehlschläge beim ersten Versuch
1. Geräusch beim Schalten der Stromversorgung
Abwärtswandler und Hochsetzsteller erzeugen bei ihrer Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen erhebliche leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen. Ein 200-kHz-Umschalter kann bei 600 kHz, 800 kHz, 1 MHz... erhebliche Energie erzeugen.
Fix: Fügen Sie eine Gleichtaktdrossel und X/Y-Kondensatoren am Stromanschluss hinzu. Verwenden Sie den [Gleichtakt-Drosselrechner] (/calculators/emc/common-mode-choke), um die Größe zu bestimmen. Ziel ist eine Dämpfung von 40 dB bei der Problemfrequenz.2. Harmonische Schwingungen von Kristallen und Taktoszillatoren
Ein 48-MHz-Kristall hat Oberschwingungen bei 96, 144, 192 MHz — alles im CISPR-Testband. Hochgeschwindigkeits-Digitaluhren sind die häufigste Ursache für Störungen im Bereich der Strahlungsemissionen.
Korrigieren:- Verwenden Sie Spread Spectrum Clocking (SSC), wenn Ihre MCU dies unterstützt — reduziert die Spitzenemissionen in der Regel um 10—15 dB
- Fügen Sie Ferritperlen auf den Uhrlinien hinzu
- Schirmen Sie den Oszillator ab oder lassen Sie ihn auf einer inneren Schicht laufen, wobei sich oben und unten Erdreich ausgießt
3. Leitungsgebundene Emissionen von SMPS im Differentialmodus
Die Schaltwellung am Eingang/Ausgang eines Wandlers erzeugt im Differenzmodus leitungsgeführte Emissionen.
Fix: Fügt einen LC-Filter hinzu. Verwenden Sie den [Rechner für leitungsgeführte Emissionsfilter] (/calculators/emc/conducted-emissions-filter), um ihn zu entwerfen. Platzieren Sie die Hauptkapazität in der Nähe des Konverters und stellen Sie sicher, dass die Masseverbindung kurz ist.4. Schlechtes Design der Grundplatte
Unterbrochene Masseflächen zwingen Rückströme dazu, lange Pfade mit hoher Induktivität zurückzulegen. Bei hohen Frequenzen entsteht dadurch eine hohe Erdimpedanz, sodass Geräusche an externe Kabel übertragen werden können.
Fix: Verwenden Sie eine durchgehende Grundebene auf Ebene 2 (direkt unter der Komponentenschicht). Verlegen Sie niemals Signalspuren auf der Bodenschicht. Verwenden Sie den [Ground Plane-Impedanzrechner] (/calculators/emc/groundplane-impedanz), um die AC-Erdimpedanz zu verstehen.5. Kabel, die als Antennen dienen
Externe Kabel — USB, HDMI, Strom — werden an Ihre Platine angeschlossen und werden zu Antennen für Geräusche, die von der Platine erzeugt werden. Ein 30 cm langes Kabel schwingt in der Nähe von 500 MHz mit.
Fix: Fügen Sie an jedem externen Anschluss Gleichtaktdrosseln hinzu. Filtert die Signalleitungen. Stellen Sie sicher, dass der Kabelabschirmanschluss niederohmig ist (360°-Abschirmung am Stecker, kein Zopf).---
Tests vor der Einhaltung der Vorschriften
Warten Sie nicht bis zum endgültigen Prototyp. Führen Sie in jeder Phase Tests vor der Einhaltung der Vorschriften durch:
Stufe 1 — Überprüfung des Schemas- Prüfen: Befindet sich am Stromeingang ein EMI-Filter?
- Prüfen: Stehen Hochgeschwindigkeitsuhren nicht in der Nähe der I/O-Anschlüsse?
- Prüfen: Gibt es eine Grundebene?
Stufe 2 — Überprüfung des PCB-Layouts
- Prüfung: Schleifenbereich des SMPS-Schaltknotens (Induktor, MOSFET, Fangdiode)
- Prüfung: Anordnung des Kondensators beim Entkoppeln (innerhalb von 1 mm vom IC-Stromanschluss entfernt)
- Prüfung: Durchgängigkeit des Pfades unter allen Hochgeschwindigkeitsstrecken
- H-Feldsonden in der Nähe des Schaltknotens zeigen Magnetfeld-Hotspots
- E-Feldsonden in der Nähe von ICs und Steckverbindern zeigen eine elektrische Feldkopplung
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Abschirmung als letztes Mittel
Abschirmung sollte das letzte Mittel sein, nicht die erste Verteidigungslinie. Ein Metallgehäuse bietet eine Abschirmwirkung von 40—80 dB, jedoch nur, wenn:
1. Alle Nahtabstände sind bei der höchsten Frequenz kleiner als λ/20 2. Kabel werden am Eingangspunkt gefiltert 3. Die Abschirmung hat eine niederohmige Erdung
Verwenden Sie den [Rechner zur Abschirmung] (/calculators/emc/shielding-effectiveness), um zu verstehen, wie sich die Schlitzgröße auf die Abschirmung auswirkt. Ein 10 cm langer Schlitz begrenzt die Abschirmung auf etwa 30 dB bei 1 GHz.
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ESD und Immunität
Die CE-Prüfung umfasst Immunitätstests. IEC 61000-4-2 (ESD) ist oft am schwierigsten zu bestehen:
- Stufe 4: ±8 kV Kontakt, ±15 kV Luftentladung
- Modell des menschlichen Körpers: 100 pF werden über 1,5 kΩ entladen
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Zusammenfassende Checkliste
- [] EMI-Filter am Stromeingang (Gleichtaktdrossel + X/Y-Kappen)
- [] Durchgehende Grundebene auf Ebene 2
- [] Entkopplungskappen innerhalb von 1 mm von jedem IC-Stromanschluss
- [] Spread-Spectrum-Uhr aktiviert
- [] Ferritperle an jeder externen Schnittstelle
- [] ESD-Schutz an allen I/O-Pins
- [] Nahfeld-Scan mit eingestellter Sonde vor der endgültigen Einreichung
- [] 12-dB-Spanne bei Messungen vor der Einhaltung der Vorschriften