{"id":8476,"date":"2024-01-18T09:26:09","date_gmt":"2024-01-18T08:26:09","guid":{"rendered":"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/?p=8476"},"modified":"2025-10-13T11:25:41","modified_gmt":"2025-10-13T09:25:41","slug":"wie-behebt-man-emv-probleme","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/medtech-ingenieur.de\/en\/wie-behebt-man-emv-probleme\/","title":{"rendered":"How to fix EMC problems?"},"content":{"rendered":"

Behebung von EMV-Problemen \u2013 ein Beispiel aus der Praxis<\/p>\n

In einem Projekt sollte die St\u00f6raussendung eines Ger\u00e4tes untersucht werden, bevor der EMV Test beim T\u00dcV durchgef\u00fchrt wird.Dabei handelte es sich um ein batteriebetriebenes Medizinger\u00e4t (DUT) mit Anwendungsteil, welches vom DUT versorgt wird und mittels UART kommuniziert.Die Messung der St\u00f6raussendung wurde in einer EMV Kammer durchgef\u00fchrt, in der die Antenne 3 Meter vom Ger\u00e4t entfernt ist. Die Antenne wurde horizontal und vertikal ausgerichtet.<\/p>\n

\"\"
Horizontal ausgerichtete Antenne<\/figcaption><\/figure>\n
\"\"
Vertikal ausgerichtete Antenne<\/figcaption><\/figure>\n

Jedoch zeigte sich, dass das Ger\u00e4t den EMV Test so nicht bestehen wird, da der Grenzwert an einigen Stellen deutlich \u00fcberschritten wurde und die Peaks an anderen Stellen nur knapp darunter lagen. \u00dcbrigens sind die angezeigten Grenzwerte die Standard-Einstellung des Messempf\u00e4ngers. F\u00fcr uns sind die Grenzwerte f\u00fcr Medizinger\u00e4te nach EN 60601-1-2 anwendbar, die \u00e4hnlich, aber leicht unterschiedlich sind.<\/p>\n

Die Grenzwerte der Grenzlinie sind \u00fcbrigens nicht f\u00fcr uns relevant, sondern umgerechnet auf die 3m Antennenabstand.<\/p>\n

In diesem Artikel soll es darum gehen, wie man St\u00f6rquellen, die diese Peaks verursachen, ausfindig macht und diese minimiert.Die Bilder in den folgenden Kapiteln sind mit horizontaler Antenne aufgenommen, da hier die Abstrahlung am gr\u00f6\u00dften war.<\/p>\n

 <\/p>\n

Grunds\u00e4tzliche \u00dcberlegungen<\/h2>\n

Im ersten Schritt sollte man die Peaks genauer untersuchen und mit den Frequenzen, die im Ger\u00e4t genutzt werden, vergleichen.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n
Frequenzen mit hohen Spitzenwerten in der Emissionsmessung<\/td>\n<\/tr>\n
115 MHz<\/td>\n144 MHz<\/td>\n168 MHz<\/td>\n192 MHz<\/td>\n214 MHz<\/td>\n220 MHz<\/td>\n233 MHz<\/td>\n<\/tr>\n
240 MHz<\/td>\n252 MHz<\/td>\n288 MHz<\/td>\n300 MHz<\/td>\n336 MHz<\/td>\n480 MHz<\/td>\n504 MHz<\/td>\n<\/tr>\n
624 MHz<\/td>\n720 MHz<\/td>\n768 MHz<\/td>\n816 MHz<\/td>\n864 MHz<\/td>\n912 MHz<\/td>\n924 MHz<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Dabei sucht man beispielsweise nach folgenden Frequenzen:<\/p>\n

    \n
  • Arbeitsfrequenz eines Schaltreglers<\/li>\n
  • Arbeitsfrequenz eines Mikrocontrollers<\/li>\n
  • Clock Frequenz einer Kommunikationsschnittstellen<\/li>\n
  • Vielfache einer genutzten Frequenz<\/li>\n<\/ul>\n

    Das Ger\u00e4t verwendet einen EMMC und SDRAM als Speicherbausteine. Betrachtet man die verwendete Clock Frequenz der Speicher und dabei die Peaks in der Messung f\u00e4llt auf, dass es hier einige \u00dcberschneidungen gibt (farbig markiert).<\/p>\n\n\n\n\n\n\n
    Grundfrequenz und Vielfache der EMMC-Kommunikation<\/td>\n<\/tr>\n
    48 MHz<\/td>\n96 MHz<\/td>\n144 MHz<\/td>\n192 MHz<\/td>\n240 MHz<\/td>\n288 MHz<\/td>\n336 MHz<\/td>\n<\/tr>\n
    384 MHz<\/td>\n432 MHz<\/td>\n480 MHz<\/td>\n528 MHz<\/td>\n576 MHz<\/td>\n624 MHz<\/td>\n672 MHz<\/td>\n<\/tr>\n
    720 MHz<\/td>\n768 MHz<\/td>\n816 MHz<\/td>\n864 MHz<\/td>\n912 MHz<\/td>\n960 MHz<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n\n\n
    Grundfrequenz und Vielfache der SDRAM-Kommunikation<\/td>\n<\/tr>\n
    84 MHz<\/td>\n168 MHz<\/td>\n252 MHz<\/td>\n336 MHz<\/td>\n420 MHz<\/td>\n504 MHz<\/td>\n588 MHz<\/td>\n<\/tr>\n
    672 MHz<\/td>\n756 MHz<\/td>\n840 MHz<\/td>\n924 MHz<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Um die Vermutung, dass das Problem mit den Speicherbausteinen zusammenh\u00e4ngt, zu best\u00e4tigen kann man die Elektronik im Ger\u00e4t mit einem Spektrum Analyzer untersuchen. Au\u00dferdem bietet das die M\u00f6glichkeit eventuelle \u00dcbertragungsm\u00f6glichkeiten der St\u00f6rung zu lokalisieren.<\/p>\n

     <\/p>\n

    Spektrum Analyzer<\/h2>\n

    F\u00fcr die Suche nach St\u00f6rquellen auf Komponenten-Ebene wird ein Spektrum Analyzer benutzt. Mit Nahfeldsonden werden zun\u00e4chst die Leitung des Anwendungsteils, die Leitungen im Ger\u00e4t und der Display Konnektor untersucht. Hier konnten die Peaks aus den Laborversuchen nicht gefunden werden.<\/p>\n

    Im n\u00e4chsten Schritt wird mit den Sonden auf der gesamten Leiterplatte nach den Frequenzen gesucht, die im Vorversuch kritisch waren.Tipp: Beginne mit Bereichen in denen potenzielle St\u00f6rquellen platziert sind, zum Beispiel Schaltregler oder Mikrocontroller.<\/p>\n

    Die Spannungsversorgung ist hier unauff\u00e4llig, aber am Mikrocontroller fallen zwei Bereiche auf, die viele der Peaks aus dem Vorversuch zeigen. Sie ahnen es wahrscheinlich schon, es handelt sich um die Pins der Kommunikationsschnittstellen zum EMMC und SDRAM.<\/p>\n

    Hier bietet sich nun ein Blick in das Layout der Leiterplatte an, da man den Bereich ziemlich gut eingrenzen kann. Nimmt man nun die Schnittstelle zwischen Mikrocontroller und Speicher genauer unter die Lupe zeigt sich, dass diese nicht optimal gelayoutet wurden.<\/p>\n

    Es gibt Leitungen, die zu Steckern f\u00fchren und damit offen sind, die hochfrequenten Leitungen sind teilweise sehr lang, die Massefl\u00e4chen sind nicht geschlossen oder schlecht angebunden und die UART Leitungen zum Anwendungsteil sind nicht ausreichend vor den hochfrequenten Clock Leitungen der Speicher abgeschirmt.<\/p>\n

     <\/p>\n

    Minimierung der St\u00f6raussendung<\/h2>\n

    \"Lagenaufbau<\/p>\n

    Zun\u00e4chst etwas Theorie zu hochfrequenten Leitungen \u2026Der Lagenaufbau der Leiterplatte ist hier dargestellt. Dabei handelt es sich bei den Versorgungsspannungen nicht um durchgehende Fl\u00e4chen, sondern um \u201eInseln\u201c in einer GND-Fl\u00e4che. Das ist kritisch, weil der Strompfad der hochfrequenten Signale so nicht optimal verlaufen kann.<\/p>\n

    Anders als bei Versorgungsspannungen und niederfrequenten Signalen, die den k\u00fcrzesten R\u00fcckstrompfad aufgrund des geringsten Widerstandes w\u00e4hlen, versucht der Pfad des R\u00fcckstromes bei hochfrequenten Signalen so zu verlaufen wie der Signalpfad.<\/p>\n

    Verl\u00e4uft der R\u00fcckstrompfad nicht parallel zum Signalpfad, weil er durch Fl\u00e4chen unterbrochen wird, bilden beide Pfade eine gro\u00dfe Schleife. Diese Schleife kann als Antenne fungieren und zu EMV Problemen f\u00fchren.<\/p>\n

    Um solche Probleme zu vermeiden, sollten freie Fl\u00e4chen mit GND gef\u00fcllt werden und Versorgungsspannungen als Leiterbahn geroutet werden. Au\u00dferdem sollten hochfrequente Leitungen immer so kurz wie m\u00f6glich gehalten werden.<\/p>\n

    Mit diesen Erkenntnissen kann man nun verschiedene Ma\u00dfnahmen testen, um die St\u00f6rung zu minimieren. Hier die in diesem Fall durchgef\u00fchrten Ma\u00dfnahmen:<\/p>\n

      \n
    • Abschirmen kritischer Bereiche \/ Komponenten<\/li>\n
    • Kondensatoren auf kritischen Leitungen<\/li>\n
    • Anpassen des Layouts<\/li>\n<\/ul>\n

      Tipp: niemals mehrere Ma\u00dfnahmen gleichzeitig testen um Zeit zu sparen, da so nicht gekl\u00e4rt werden kann was die tats\u00e4chliche Ursache des Problems ist. Testen der Entst\u00f6rungsma\u00dfnahmen<\/p>\n

      Zun\u00e4chst werden die Speicherbausteine mit Kupferfolie abgeschirmt und die Messungen wiederholt.<\/p>\n

      \"\"
      Speicherbausteine ungeschirmt<\/figcaption><\/figure>\n
      \"\"
      Speicherbausteine geschirmt<\/figcaption><\/figure>\n

       <\/p>\n

      Man kann beobachten, dass die Peaks alle unter den Grenzwert fallen.<\/p>\n

      Anschlie\u00dfend wird die Kupferfolie entfernt und ein Kondensator auf die UART Leitung gegen GND nahe am Mikrocontroller platziert.<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

      Auch hier kann beobachtet werden, dass die Peaks unter den Grenzwert sinken.Daraus ergibt sich eine \u00c4nderung des Layouts, bevor man mit dem EMV Test fortfahren kann. Hier ein Vergleich der St\u00f6raussendung gemessen an der Schnittstelle zum SDRAM.<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

       <\/p>\n\n\n\n\n\n\n
      Peak [MHz]<\/td>\n84<\/td>\n168<\/td>\n252<\/td>\n336<\/td>\n420<\/td>\n504<\/td>\n588<\/td>\n673<\/td>\n756<\/td>\n841<\/td>\n924<\/td>\n<\/tr>\n
      Alt [dBm]<\/td>\n-43,1<\/td>\n-55,3<\/td>\n-35,9<\/td>\n-53<\/td>\n-36,1<\/td>\n-53,1<\/td>\n-41,8<\/td>\n-53,5<\/td>\n-48,3<\/td>\n-56,9<\/td>\n-51,1<\/td>\n<\/tr>\n
      Neu [dBm]<\/td>\n-49,8<\/td>\n-60,4<\/td>\n-42,6<\/td>\n-53,2<\/td>\n-45,1<\/td>\n-54,9<\/td>\n-51,3<\/td>\n-58,6<\/td>\n-57,9<\/td>\n-65,4<\/td>\n-64,4<\/td>\n<\/tr>\n
      \u2206<\/td>\n6,7<\/td>\n5,1<\/td>\n6,7<\/td>\n0,2<\/td>\n9<\/td>\n1,8<\/td>\n9,5<\/td>\n5,1<\/td>\n9,6<\/td>\n8,5<\/td>\n13,3<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

      Man sieht, dass die Peaks bei allen Frequenzen geringer ausfallen, teilweise sind sie deutlich unter den vorherigen Werten. Mit dem neuen Layout und Kondensator an der UART Leitung ging es nun zum EMV Test.<\/p>\n

       <\/p>\n

      Ergebnis der EMV Messung<\/h2>\n

      Im EMV Labor zeigt sich trotz Modifikationen zun\u00e4chst folgendes Ergebnis:<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

      Bei 168 MHz liegt der Peak \u00fcber dem Grenzwert, entfernt man das Anwendungsteil fallen auch die Peaks unter den Grenzwert. Da uns die Frequenz und die m\u00f6gliche Ursache bekannt sind gibt es eine schnelle L\u00f6sung f\u00fcr das Problem. Es wird ein zweiter Kondensator auf die UART Leitung angebracht, diesmal jedoch so nah am Stecker wie m\u00f6glich. Und nach dieser Modifikation sieh die Wiederholungsmessung so aus:<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

      Ich hoffe, der Artikel hat Ihnen gefallen. Wie man sieht ist manchmal ein Kondensator an der richtigen Stelle die L\u00f6sung f\u00fcr ein EMV-Problem \u2013 nat\u00fcrlich zusammen mit einem EMV-gerechten Layout. Falls Sie unsere Unterst\u00fctzung ben\u00f6tigen z. B. durch Reviews oder Messungen k\u00f6nnen Sie uns jederzeit benachrichtigen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

      Behebung von EMV-Problemen \u2013 ein Beispiel aus der Praxis In einem Projekt sollte die St\u00f6raussendung eines Ger\u00e4tes untersucht werden, bevor der EMV Test beim T\u00dcV durchgef\u00fchrt wird.Dabei handelte es sich um ein batteriebetriebenes Medizinger\u00e4t (DUT) mit Anwendungsteil, welches vom DUT versorgt wird und mittels UART kommuniziert.Die Messung der St\u00f6raussendung wurde in einer EMV Kammer durchgef\u00fchrt, […]<\/p>\n","protected":false},"author":36,"featured_media":8554,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2,4,604,5,468],"tags":[188,187,673],"class_list":["post-8476","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-allgemein","category-hardware-entwicklung","category-qualitaet","category-technik","category-testen","tag-elektromagnetische-vertraeglichkeit","tag-emv","tag-emv-test","post-wrapper","thrv_wrapper"],"yoast_head":"\nWie behebt man EMV-Probleme? 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