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EMC

PCB-Übersprechen (EMV)

Schätzt PCB-Leitungsübersprechen (kapazitive und induktive Kopplung) für EMV-Vorkonformitätsanalyse.

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Formel

V_cap = V_A × C_m × 2πf × Z, V_ind = L_m × 2πf × (V_A/Z)

Wie es funktioniert

Das Übersprechen von Leiterbahnen erfolgt über zwei Mechanismen: kapazitive Kopplung (elektrisches Feld) und induktive Kopplung (Magnetfeld). Durch die kapazitive Kopplung wird ein Strom eingespeist, der proportional zum dV/dt der Aggressorspur ist: V_cap = V_A × C_m × 2λf × Z, wobei c_M die gegenseitige Kapazität pro Meter und Z die Abschlussimpedanz des Opfers ist. Durch induktive Kopplung wird eine Spannung eingespeist, die proportional zu dI/dt ist: V_ind = L_m × 2π f × (V_A/Z), wobei L_m die Gegeninduktivität pro Meter ist. Das gesamte Crosstalk ist die Vektorsumme. Beide Mechanismen nehmen mit der Frequenz zu, weshalb das Übersprechen bei digitalen Leiterbahnen mit hoher Geschwindigkeit zu einem der wichtigsten EMV-Probleme wird. NEAR-END-Crosstalk (NEXT) summiert beide Beiträge; bei FAR-END-Crosstalk (FEXT) werden sie teilweise gelöscht. Crosstalk wird in dB relativ zur Aggressorspannung gemessen.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Zwei 50-Ω-Mikrostreifenbahnen verlaufen parallel mit einer Gegenkapazität von 20 pF/m und einer Gegeninduktivität von 10 nH/m. Der Aggressor überträgt 3,3 V bei 100 MHz. Berechnet das kapazitive, induktive und totale Übersprechen. Lösung: 1. Kapazitive Kopplung: V_Cap = 3,3 × 20×10′¹ × 2π × 10¹ × 50 = 3,3 × 20×10′² × 3,14 × 10¹ ¹ = 2,07 mV 2. Induktive Kopplung: v_IND = 10×10′× 2π × 10× (3,3/50) = 10×10× 3,14×10× 0,066 = 0,207 mV 3. Gesamtübersprechen: V_xt = √ (2,07² + 0,207²) = 2,08 mV 4. Übersprechen in dB: XT = 20·log( 2,08/3300) = 20·log( 6,3×10) = −64 dB Ergebnis: −64 dB Crosstalk ist typisch für diese Geometrie. Ein Wert unter -40 dB ist für die meisten digitalen Signale im Allgemeinen akzeptabel.

Praktische Tipps

  • ✓Erhöhen Sie den Leiterbahnabstand — das Übersprechen entspricht ungefähr dem Quadrat der Entfernung für die Fernfeldkopplung; bei einer Verdoppelung des Abstands wird das Übersprechen häufig um 12—18 dB reduziert.
  • ✓Verwenden Sie eine Schutzspur, die an mehreren Stellen zwischen empfindlichen Spuren des Opfers und den Spuren des lauten Aggressors am Boden befestigt ist, um die elektrische Feldkopplung abzufangen.
  • ✓Minimierung der parallelen Lauflänge — Crosstalk ist proportional zur parallelen Länge; orthogonales Routing auf benachbarten Lagen reduziert das Crosstalk drastisch.

Häufige Fehler

  • ✗Gehen wir davon aus, dass Übersprechen nur ein Problem mit der Signalintegrität ist — es entstehen auch abgestrahlte Emissionsquellen; das Geräusch der Opfer kann erneut abgestrahlt werden, wenn es an ein Kabel oder einen Stecker geleitet wird.
  • ✗Paralleles Routing von Hochgeschwindigkeitssignalpaaren für große Entfernungen ohne Abstandsregeln — IPC-2141A empfiehlt eine 3-W-Regel (Leiterbahnabstand ≥ 3× Leiterbahnbreite), um das Übersprechen unter —40 dB zu halten.
  • ✗Mischen verschiedener Impedanzlinien in derselben Schichtebene — Fehlanpassungen erhöhen die Reflexionen, die zum Übersprechen beitragen können.

Häufig gestellte Fragen

Dies hängt von der Quellenimpedanz und der Lastimpedanz ab. Kapazitives Übersprechen ist schlimmer, wenn die Opferspur eine hohe Lastimpedanz hat. Induktives Übersprechen ist schlimmer, wenn das Opfer eine niedrige Impedanz hat. Bei Differentialpaaren in 50/100-Ω-Systemen sind beide ungefähr ähnlich; die IPC 2141 3W-Regel hilft bei der Steuerung beider Systeme.
Ja. Geräusche, die in die Leiterbahn des Opfers eingespeist werden, können zu den I/O-Anschlüssen übertragen werden und von Kabeln abgestrahlt werden. Dies ist eine häufige Fehlerursache bei EMV-Tests: Die abstrahlende Antenne ist nicht die eigentliche Quelle des Aggressors, sondern ein I/O-Kabel, das über Crosstalk angeschlossen ist.
Eine feste Referenzebene sorgt für einen niederohmigen Rückweg direkt unter jeder Leiterbahn, wodurch die effektive Schleifenfläche und der Kopplungskoeffizient zwischen benachbarten Leiterbahnen reduziert werden. Das Übersprechen zwischen Streifenleiterbahnen (zwischen zwei Referenzebenen) ist um 6—20 dB besser als bei Mikrostreifen bei gleichem Leiterbahnabstand.

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