AltiumLive 2022: Beseitigen Sie Ihre EMV-Probleme, bevor sie auftreten

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Todd H. Hubing arbeitet seit Jahrzehnten mit EMC zusammen. Er begann als Ingenieur bei IBM, war dann Professor am EMC-Labor der University of Missouri-Rolla (heute Missouri Science and Technology) und zog später nach Clemson, wo er die Vehicular Electronics Library gründete. Jetzt konzentriert sich Todd auf sein jüngstes Unterfangen, LearnEMC.

Auf der AltiumLive 2022 teilt Todd seine Gedanken darüber mit, wie Sie EMV-Probleme vermeiden können, bevor sie die Chance haben, verheerende Schäden auf Ihrem Board anzurichten, indem Sie einfach schon früh im Designprozess kluge Entscheidungen treffen. Wie er in diesem Interview betont, ist dies viel besser, als zu warten, bis man später EMV-Probleme hat, und möglicherweise eine Platine neu zu entwerfen, bis man die EMV-Prüfung besteht.

In diesem Interview erklärt Todd einige der häufigsten Fehler, die seiner Meinung nach später im Entwurfszyklus zu EMV-Problemen führen, erklärt, wie man sie vermeidet, und erklärt, wie wichtig es für Designer ist, sich über EMV-Entwurfstechniken weiterzubilden.

Andy Shaughnessy:Wie geht's, Todd?

Todd Hubing:Es läuft gut, danke.

Shaughnessy: Todd, warum erzählen Sie uns nicht etwas über Ihren Hintergrund, da Sie auf eine lange EMC-Geschichte zurückblicken können? Erzählen Sie uns etwas über sich, Ihre bisherige Arbeit und nun Ihr aktuelles Unternehmen.

Hubung: Ich habe vor 40 Jahren, im Jahr 1982, bei EMC angefangen. Ich ging zu IBM und war etwa sieben Jahre lang in deren EMC-Gruppe. Dann nahm ich eine Fakultätsstelle an der University of Missouri-Rolla an. Während ich dort war, tat ich mich mit Tom Van Doren und später mit Jim Drewniak und Dick DuBroff zusammen. Wir hatten ein EMV-Labor und haben bei unserer Forschung im Grunde genommen echte Probleme mit realen Produkten untersucht und versucht zu verstehen, was passiert, wie man es modellieren kann und was man dagegen tun kann.

Ich war 17 Jahre lang dort, nahm dann eine Stiftungsprofessur an der Clemson University an und arbeitete weiterhin im Bereich EMV, hauptsächlich im Automobilbereich. Während meines Aufenthalts war ich beim CU-ICAR (Clemson University International Center for Automotive Research). Ich habe mich 2015 von Clemson zurückgezogen und berate und unterrichte seitdem Kurzkurse und einige College-Kurse.

Shaughnessy:Klar, und einige von uns erinnern sich daran, dass Sie, als Sie und Tom Van Doren im EMC-Labor der University of Missouri-Rolla waren, diese EMC-Arbeit im echten Leben gemacht haben, nicht im typischen akademischen Bereich, wenn Sie wissen, was ich meine.

Hubung: Das ist richtig. Als ich bei IBM war, arbeiteten viele Universitätsdozenten mit uns. Und ich muss zugeben, ich hatte einen relativ schlechten Eindruck von den Universitätsdozenten, weil sie so theoretisch waren und das Problem immer in etwas verwandelten, das gelöst werden konnte, aber sie verwandelten es in etwas, das nicht mehr unser Problem war. Ja, der Besuch der UMR war für mich die Gelegenheit, mich auf das zu konzentrieren, was wirklich passierte.

Shaughnessy: Und jetzt können Sie viel davon mit den Teilnehmern der AltiumLive teilen. Und ich sehe, Sie haben eine Präsentation darüber, wie das Layout zu weiteren Problemen mit der EMV führen kann. Geben Sie uns einen Überblick.

Hubung: Ich beschloss, mich auf „Häufige PCB-Layoutfehler, die zu Verstößen gegen die EMV-Konformität führen“ zu konzentrieren. Und natürlich könnten wir den ganzen Tag darüber reden, aber ich habe beschlossen, mich nicht so sehr auf die offensichtlichen Fehler zu konzentrieren. Die meisten Leute, mit denen ich im Designbereich zusammenarbeite, während ich berate, machen nicht die offensichtlichen Fehler, die Gegenstand vieler Kurse und Präsentationen sind, aber ich sehe immer wieder viele der gleichen Fehler wieder. Das sind also nicht unbedingt die häufigsten Fehler, die ein absoluter Anfänger machen würde, aber es sind die häufigsten Fehler, die ich bei den Boards sehe, die mir in den Sinn kommen.

Shaughnessy:Nennen Sie uns einige Beispiele für diese häufigen Fehler, die große Auswirkungen auf die EMV haben können.

Hubung: Das Hauptproblem, mit dem ich beginne, sind Erdungsprobleme. So viele Informationen es auch zum Thema Erdung gibt, die Leute neigen immer noch dazu, etwas falsch zu verstehen. Und es ist fast so, je mehr Sie über Erdung gehört haben, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie etwas falsch machen. Die Leute verwechseln Boden mit aktueller Rendite, was beides sehr wichtige Konzepte sind.

Ich sehe oft Produkte, bei denen große Anstrengungen unternommen wurden, um sich von der Erde zu isolieren, mit der sie eigentlich verbunden sein sollten. Und das Gegenteil kann auch passieren, wenn sie isoliert werden sollten, sie es aber nicht richtig isoliert haben. Und es ist wirklich nicht so kompliziert. Ich hoffe, dass ich damit etwas Klarheit schaffen kann.

Shaughnessy:Haben Sie in Ihrer Präsentation ein paar Horrorgeschichten?

Hubung: In der Präsentation habe ich natürlich Beispiele. Natürlich kann ich keine Beispiele aus meiner Beratungstätigkeit zeigen, aber ich konnte einige Beispiele für gute und schlechte Designs in öffentlich zugänglichen Board-Layouts finden.

Shaughnessy:Welchen Rat würden Sie also jemandem geben, der mit EMV-Problemen zu kämpfen hat?

Hubung: Nun, ich denke, der beste Rat ist, dass man sich weiterbilden muss. Es gibt viele sehr gute Informationen im Internet, aber wie alles andere gibt es auch viele wirklich schlechte Informationen im Internet. Aber je mehr Sie dem ausgesetzt sind, je mehr Fragen Sie stellen, desto mehr werden Sie sich damit vertraut machen. Und natürlich bin ich wahrscheinlich voreingenommen, aber ich würde die Teilnahme an EMC-Kursen wärmstens empfehlen.

Es gibt viele verschiedene Kurzkurse, die Menschen belegen können. Und das gibt Ihnen die Möglichkeit, mit einem Lehrer zu interagieren und Fragen zu stellen wie: „Warum ist das so?“ oder „Du sagst das und ich habe von jemand anderem gehört, dass es anders war. Was ist also richtig und warum?“ Tun Sie alles, was Sie können, um sich weiterzubilden.

Shaughnessy: Welche Erkenntnisse könnte ein Teilnehmer von Ihrer Präsentation mitnehmen? Was hoffen Sie, mit dem sie davonkommen?

Hubung: Nun, ich werde über sechs häufige Layoutfehler sprechen und hoffe, dass sie diese Fehler bei ihrem nächsten Design weniger wahrscheinlich machen. Wir werden sehen, aber genau das möchte ich den Teilnehmern vermitteln.

Eine schlechte Erdung ist der häufigste Fehler, aber die unbeabsichtigte Umgehung des Filters folgt knapp dahinter. Wir sehen, dass Leute wirklich schöne Filter entwerfen und dann einen Weg schaffen, durch den das Rauschen direkt umgangen werden kann. Diese Kopplungspfade sind nicht immer offensichtlich, aber wenn man systematisch hinschaut, fallen sie sofort auf.

Wir werden auch über das Layout des Stromrichters sprechen. Ein gut konzipierter Stromrichter sollte eigentlich kein Geräuschproblem darstellen. Die neuen Wandler sind tatsächlich sehr gut im Vergleich zu dem, was wir vor 20 Jahren hatten, aber wir sehen immer noch Leute, die in ihren abgestrahlten oder leitungsgebundenen Emissionen Stromwandlergeräusche wahrnehmen. Das liegt fast immer an einem schlechten Layout. Und das liegt fast immer daran, dass sie sich an die Empfehlungen des Herstellers gehalten haben, die oft sehr dürftig sind. Deshalb werden wir ein wenig über das gute und schlechte Layout von Stromwandlern sprechen und einige Beispiele zeigen.

Die Entkopplung des Energiebusses war bereits ein Thema, als wir uns vor 20 Jahren zum ersten Mal trafen, und es ist immer noch ein Problem. Die richtigen Techniken zur Energiebus-Entkopplung sind je nach Produkt unterschiedlich. Die Leute nehmen oft an einem Kurs teil oder sehen sich ein Seminar an und lernen etwas, das sich sehr gut auf bestimmte Arten von Produkten anwenden lässt, auf ihr Produkt jedoch nicht zutrifft. Wenn sie dies in ihrem Produkt tun, entsteht am Ende Strombusrauschen. Ihre digitalen Geräte sollten keine Störungen auf den Strombus übertragen, die zu EMV-Problemen führen.

Ein weiteres Problem, das in letzter Zeit sehr wichtig geworden ist, tritt auf, wenn große und kleine Keramikkondensatoren parallel geschaltet werden. Es war wahrscheinlich nie eine besonders gute Idee, aber früher kamen die Leute damit durch, weil der große ein Elektrolytkondensator und der kleine ein Keramikkondensator war. Mittlerweile ist die Kondensatortechnologie jedoch so weit fortgeschritten, dass man tatsächlich sehr große Keramikkondensatoren erhalten kann. Sie haben einen niedrigen ESR und ein großer wird mit einem kleinen mitschwingen. Und so sehen wir mehr Produkte, bei denen bis auf eine Schmalbandspitze, die typischerweise über einem Gigahertz liegt, alles gut aussieht.

Es scheint, als käme es aus dem Nichts und es handelt sich um eine Resonanz, die sie versehentlich erzeugt haben. Und dafür gibt es keinen Grund. Wir sollten diese großen Werte wirklich niemals mit kleinen Werten parallelisieren. Das ist nicht mehr nötig.

Der letzte häufige Fehler besteht darin, dass Menschen Gleichtaktdrosseln auf Platinen anbringen, die keine Gleichtaktdrossel haben sollten. Und es ist schwer, genau zu sagen, warum das passiert. Ich denke jedoch, dass ein Teil davon auf App-Hinweise und Anleitungen von Filterkomponentenherstellern zurückzuführen ist, die diese Gleichtaktdrosseln verkaufen.

Es gibt Situationen, in denen Gleichtaktdrosseln natürlich völlig angemessen sind, aber wir sehen viele Konstruktionen, bei denen sie an Stellen angebracht sind, an denen sie eigentlich nicht angebracht sein sollten. Sie verursachen ein Problem, anstatt ein Problem zu lösen.

Shaughnessy:Es scheint, als hätten vor fünf oder sechs Jahren alle über Gleichtakt gesprochen.

Hubung: Nun ja, Gleichtaktströme sind sicherlich die Quelle abgestrahlter Emissionen, ja. Das ist richtig. Ob es jedoch angemessen ist, eine Gleichtaktdrossel zu verwenden, ist eine andere Geschichte.

Shaughnessy: Interessant. Und Sie haben viel mit der Automobilindustrie gearbeitet? Ich schätze, dass das mit Elektrofahrzeugen und autonomen Fahrzeugen sowie Infotainmentsystemen im Allgemeinen noch zunehmen wird.

Hubung: Ja. Ich würde sagen, dass mindestens die Hälfte der Boards, die ich rezensiere, Automotive-Boards sind. Sie sind diejenigen, die die Erdung normalerweise falsch verstehen. Und ich mache mir ein bisschen Sorgen, weil das Erdungsproblem nicht nur ein EMV-Problem ist. Wenn es sich um ein Erdungsproblem an einem Lenksteuermodul oder einem Bremssteuermodul handelt, ist das auch ein Sicherheitsproblem. Daher sehe ich darin ein großes Problem in der Branche. Es ist nicht so, dass wir nicht wissen, was wir tun sollen. Es liegt daran, dass Menschen nicht immer das tun, was sie tun sollten.

Shaughnessy: Rechts. Alle reden seit 20 Jahren über Signalintegrität, aber einige Designer betrachten EMV-gerechtes Design immer noch als schwarze Magie.

Hubung: Ich würde zustimmen. Es gibt große Bedenken hinsichtlich der EMV, aber auch große Verwirrung. Wenn Sie 20 Jahre zurücklegen, sehen Sie, dass die Dinge, die vor 20 Jahren funktionierten, heute nicht mehr funktionieren. Sie sind einfach nicht mehr die richtigen Dinge, und das liegt daran, dass sich die Dinge geändert haben. Die Schaltungen sind unterschiedlich. Die Frequenzen, mit denen wir Probleme haben, sind unterschiedlich und sogar einige der Tests sind unterschiedlich. Und doch gibt es eine Zurückhaltung, sich anzupassen. Wenn jemand seit mehr als 20 Jahren in der Branche arbeitet, hat er das Gefühl zu wissen, was funktioniert und was nicht. Und ich denke, das ist ein großer Teil des Problems.

Mir persönlich ist aufgefallen, dass wenn ich mit einem brandneuen Unternehmen, einem Startup, zusammenarbeite, die Dinge mit EMC im Allgemeinen ziemlich schnell alles richtig machen. Oft liegen die größten Probleme entweder bei den älteren Unternehmen oder bei den OEMs, die ein Produkt an die älteren, etablierteren Unternehmen liefern.

Shaughnessy:Scheint es so, als hätten viele OEMs keine Fachexperten mehr im Team und überlassen die EMV-Angelegenheiten einfach jemandem wie Ihnen, einem Dritten?

Hubung: Auf diese Weise gewinnen wir oft diesen Streit. Der Kunde wird den OEM und mich einbeziehen und uns im Grunde im selben Online-Meeting zusammenbringen, um zu verhandeln, was getan werden soll. Und am Ende stellen wir die Frage: „Garantiert der OEM also, dass dies eingehalten wird? Oder garantiere ich, dass es eingehalten wird?“ Ich garantiere, dass es den Anforderungen entspricht, wenn es richtig konstruiert wird, und der OEM ist normalerweise nicht dazu bereit.

Wenn wir diesen Streit also gewinnen, gewinnen wir ihn im Allgemeinen auch auf diese Weise, auch wenn wir nicht immer gewinnen. Manchmal besteht der OEM darauf, Dinge auf eine Art und Weise zu tun, die meiner Meinung nach nicht unbedingt die sicherste oder zuverlässigste Art und Weise ist, aber er ist der Kunde.

Shaughnessy: Rechts. Und sie haben es oft für Respins konzipiert und sogar ein Budget für Respins eingeplant. Sehen Sie, dass das häufig passiert?

Hubung: Absolut. Und das ist ein wichtiger Punkt, den ich in meinen Kursen anspreche. Wenn Sie es immer wieder neu entwerfen, bis Sie den Test bestehen, haben Sie ein Produkt so entworfen, dass es einen Test besteht – nicht, um ein gutes Produkt zu sein und den Anforderungen nicht zu entsprechen, wenn es im Einsatz ist. Und davon passiert eine Menge, nicht nur in der Automobilindustrie, sondern in den meisten Branchen. Die Leute gehen in die Testkammer, entwerfen das Produkt neu, bis es besteht, und dann haben sie vor Ort Probleme. Oder wenn es sich um eine Komponente handelt, haben sie Probleme, wenn sie diese Komponente in ein System einfügen.

Shaughnessy: Ja. Cool. Nun, es hört sich so an, als hätten Sie einen wirklich interessanten Job und es hört sich so an, als hätten Sie Spaß.

Hubung: Es macht viel Spaß. Ich liebe es.

Shaughnessy:Danke, dass Sie mit mir gesprochen haben.

Hubung:Danke, Andy.

Sehen Sie sich unten die Präsentation von Todd Hubing „Häufige PCB-Layout-Fehler, die zu EMV-Konformitätsfehlern führen“ an.