Differenzmodusstrom und Gemeinschaftsmodusstrom

Der Schlüssel zum Verständnis und zur Lösung von EMC-Problemen liegt im Verständnis des Stromflusses. Der Strom fließt entlang eines Schleifensystems, doch es ist nicht selten, dass digitale Schaltungsentwickler diese wichtige Tatsache vergessen. Die meisten Spannungen, mit denen sie arbeiten, begeben sich typischerweise in Form von Eingangssignalen einer Türe zu einer anderen Türe. Bei der Zeichnung von Schaltplänen werden ein oder mehrere Erdungszeichen verwendet, um Signal- oder Stromversorgungsschleifen darzustellen. Dies wird oft als „versteckte Schaltplan-Darstellung“ bezeichnet. Dazu gehören Fragen wie die Verlegung und Definition der Schleifen sowie deren Rückführung zur Stromversorgung – an diesen Punkten gibt es meist keine klaren Richtlinien oder Berücksichtigungen. Probleme auftreten häufig, wenn die Rückführschicht der Leiterplatte entweder vom Entwickler selbst verlegt oder automatisch durch CAD-Software verlegt wird, was viele EMI-Probleme auf der Leiterplatte begünstigt. Doch indem man versteht, wie der Rückführstrom zu seiner Stromversorgung zurückkehrt und sicherstellt, dass der Rückführpfad eine geringe Widerstandskraft aufweist, können weitere Probleme gelöst werden. Dennoch bleibt noch viel Weg, um EMI-Probleme vollständig erfolgreich zu lösen.

Zunächst ist zu berücksichtigen, wie der Rückstrom fließt. Bei niedrigen Frequenzen (unter 50 kHz) fließt der Rückstrom in der Regel entlang des Pfades mit dem geringsten Widerstand. Bei hohen Frequenzen (über 50 kHz) fließt er dagegen meist entlang des Pfades mit dem geringsten Impedanzwert. Dabei ist zu beachten, dass diese beiden Konzepte nicht identisch sind. Der Pfad mit dem geringsten Widerstand hängt von den Materialeigenschaften der Leiter im Rücklauf sowie vom Abstand zwischen Stromquelle und Last ab – also davon, ob der Rückstrom direkt über den direkten Pfad zur Stromquelle zurückfließt. Der Pfad mit dem geringsten Impedanzwert hingegen basiert auf den induktiven und kapazitiven Effekten zwischen den Drähten und dem Rücklauf, wodurch der Rückstrom direkt unterhalb der Signalausgangs- oder Stromversorgungsdrähte fließen kann. Dieses Phänomen ergibt sich dadurch, dass bei höheren Frequenzen die Eigeninduktivität des Signalstrompfads minimal wird, ebenso wie die gespeicherte magnetische Feldenergie und die Pfadeimpedanz, was in der Regel zu einer minimalen physikalischen Distanz (oder Fläche der Schleife) zwischen Ausgangs- und Rückstrom führt. Dieses Konzept wird im zweiten Kapitel dieses Buches ausführlich behandelt.

Durch die Beobachtung der Funktionsweise von Transformatoren lässt sich das oben genannte Konzept leichter verstehen, wie in Abbildung 1.2 dargestellt. Wenn ein Wechselstrom (AC) oder Hochfrequenzstrom durch eine Windung des Transformators fließt, entsteht durch die Kopplung mit dem Magnetfeld der benachbarten Wicklung ein Strom in einer anderen Wicklung, dessen Richtung der entgegengesetzten ist. Die Funktionsweise der Leiterbahnen oder Druckkreisdrähte ist dabei identisch mit der beim Fließen des Stroms durch die Druckleitungen eines Stromkreises. Ein detaillierteres Ausführungsverfahren hierzu findet sich im Kapitel 2 dieses Buches.

Nun betrachten wir ein Konzept: Was ist der sogenannte Differenzmodusstrom (Differential-Modusstrom, DM-Strömung) oder Differenzstrom? Dabei handelt es sich um einen Signalstrom oder Strom von der Stromquelle zur Last und zurück von der Last zur Stromquelle. Der DM-Strom fließt entlang eines Rings – sowohl der Ausgangsstrom von der Stromquelle zur Last als auch der Rückstrom von der Last zur Stromquelle. Je näher diese beiden Pfade zueinander sind, desto geringer ist das erzeugte Selbstinduktionsmagnetfeld, wodurch die Kopplung mit anderen Leitungen, Drähten oder Schaltkreisen verringert wird. Wenn die Stromquelle, die Signaldrahtleitung oder der Leiter von seinem Rücklauf entfernt werden, entsteht ein größerer Ring, wie in Abbildung 1.3 dargestellt, was zu Problemen führt. Je größer der Ring, desto stärker ist das erzeugte Strahlungsfeld, und umgekehrt ist es leichter, Felder anderer magnetischer Quellen aufzunehmen. Dadurch gelangen Störungen in diese Schaltkreise.

Glücklicherweise wird üblicherweise die Rücklaufschicht oder Referenzschicht verwendet, die oft fälschlicherweise als Erdungsschicht bezeichnet wird. Wie bereits erwähnt, erzeugen die Druckleitungen auf der Rücklaufschicht oder Referenzschicht eine direkte induktive Kopplung mit dem darunterliegenden Rücklaufpfad. Druckleitungen mit lokaler Kopplung des Rücklaufpfads minimieren die geschlossene Kreisfläche zwischen Leitung und Rücklaufpfad, wodurch die von den Druckleitungen erzeugten Emissionen minimiert und die Empfindlichkeit der Schaltung gegenüber äußeren Störungen verringert werden. Wenn jedoch bei der Leiterplattenverdrahtung mehrere Schichten zwischen dem Signalstrom- und dem Rücklaufstrompfad liegen oder es auf der Rücklaufschicht bzw. Referenzschicht Inseln oder Spaltungen gibt, verliert die Referenzschicht all ihre Vorteile.

Der Strompfad des DM-Stroms unterscheidet sich von dem des Common-Mode (CM)-Stroms. Der Unterschied zwischen CM-Strom und DM-Strom besteht darin, dass beide in die gleiche Richtung fließen, wenn sie durch die Signalkreislauf (oder den Signallauf- und Rücklauf) sowie die Rückführungsschleife (oder den Rücklaufweg) laufen. Ihre Werte sind in der Regel sehr gering und liegen im Mikroampere-Bereich. Eine einfache Möglichkeit, DM- und CM-Strom zu verstehen, ist, dass jeder DM-Strom (digitales Signal) einen speziellen Rücklaufpfad benötigt, um zu funktionieren, während jeder CM-Strom lediglich einen gemeinsamen Rücklaufpfad erfordert. Wenn für das CM-Signal kein Rücklaufpfad bereitgestellt wird, sucht dieser automatisch nach einem geeigneten Pfad – was mit hoher Wahrscheinlichkeit eine große geschlossene Schleife ergibt und starke Strahlungsemissionen verursacht!

Betrachten Sie die beiden Teilsysteme (Schaltung 1 und Schaltung 2), wie in Abbildung 1.4 dargestellt. Die Teilsysteme können zwei integrierte Schaltungen (IC) oder zwei Leiterplatten sein, die gemeinsame Rücklauf-/Referenzpfade aufweisen. Wenn der Rücklaufpfad eine einzige Schicht umfasst, ist die Impedanz zwischen den beiden Teilsystemen sehr gering und liegt im Bereich von Milliohm. Selbst dann entsteht zwischen zwei Punkten des Rücklaufpfads eine minimale Spannung, die durch unterschiedliche Ströme erzeugt wird, die durch diese kleinen Impedanzen induziert werden. Wenn zwischen diesen beiden Punkten ein Spannungsabfall besteht, muss zwangsläufig ein Strom fließen. Genau dieser kleine Strom erzeugt den CM-Strom, der sich in gleicher Richtung wie das Signal entlang des Signalauf- und Rücklaufpfads bewegt. Dieser Zustand tritt häufig auch bei I/O-Kabeln auf, die mit dem Produkt verbunden sind, und ist wahrscheinlich der Grund für übermäßige Strahlungsemissionen.

Weitere Methoden zur Erzeugung von CM-Strömen umfassen die Nutzung einer Spannungsquelle, die kapazitive Kopplung zum Gehäuse aufweisen kann, beispielsweise über eine Kühlfläche der Stromversorgung. Die Spannung zwischen dem Schaltgerät und dem Gehäuse kann im gesamten Stromkreis einen CM-Strömung erzeugen. In diesem Fall muss ein Anschluss am Gehäuse gefunden werden, um den CM-Strömung zurück zur Stromversorgung zu leiten. Bei isolierten Stromversorgungen, die nicht mit dem Gehäuse verbunden sind, entsteht Strahlung sowohl bei der Versorgung als auch bei den verbindenden Kabeln. Daher sollte unbedingt versucht werden, diese elektrische Energie zurück ins Gehäuse und anschließend zur Stromversorgung zurückzuführen. Auch wenn auf der Rückführungsschicht vernachlässigte Fugen oder Spalten existieren, die den Rückführstrom über längere Wege zwingen, oder wenn die Impedanzabgleich zwischen Stromversorgung und Last in Hochfrequenz-Signalkreisen unzureichend ist, kann ebenfalls ein CM-Strömung entstehen.

Da der Abstand zwischen dem CM-Signal und seinem Rückführpfad sehr groß ist, kann das CM-Rauschen im Vergleich zum DM effektiver Strahlung erzeugen. Einige Simulationsmodelle zeigen, dass die Strahlungsenergie des CM-Ströms je nach Frequenz und geometrischer Form des Stromkreises höher ist als die des DM-Strömes und etwa 10-mal so hoch ist. Zumindest lässt sich sagen, dass die Strahlungsenergie eines 1 µA CM-Ströms der eines 1 mA DM-Strömes entspricht.