ICs sind sehr empfindlich gegenüber Störungen. Schnelle Störimpulse, welche die langsameren ICs in der Vergangenheit noch nicht wahrnahmen, können nun zu starken Beeinträchtigungen oder gar zum Totalausfall führen.

Bild 1: Die DPI-Methode.

Bild 1: Die DPI-Methode.Langer EMV

Zur Sicherstellung einer hohen Störfestigkeit von elektronischen Geräten gegenüber elektromagnetischen Störungen kann man die Eigenschaften von ICs nicht mehr außer Acht lassen. Burst- und ESD-Störungen dringen von außen in elektronische Geräte ein und gelangen über Leiterzüge bis an die Pins von ICs. Sowohl über die Pins als auch direkt über magnetische und elektrische Störfelder dringen die Störungen ins Innere der ICs vor. Die Auswirkungen auf die Funktion können unterschiedlich sein. Die Vielfalt reicht von flüchtigen tolerierbaren Fehlern wie etwa kurzzeitiges Kippen eines Port-Ausgangs bis zum Totalausfall mit dauerhaftem Funktionsverlust des ICs. Dieser Fachbeitrag beschreibt die Verträglichkeit eines ICs gegenüber HF-Einstahlung am Beispiel eines Operationsverstärkers (OPV). OPVs sind in ihren Anwendungen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt. Deshalb ist es in der Praxis wichtig, ihre Grenzparameter genau zu bestimmen, um spätere EMV-Effekte auszuschließen.

Bild 2: Prüfaufbau mit HF-Probe zur leitungsgebundenen Einkopplung von HF.

Bild 2: Prüfaufbau mit HF-Probe zur leitungsgebundenen Einkopplung von HF.Langer EMV

Beim Einbau eines bipolaren OPV in eine Automobilelektronik tritt während des EMV- Prüfverfahrens bei einer Einstrahlung über 100 V/m eine Demodulation der HF-Störsignale auf. Diese verursachen ein Fehlverhalten der Elektronik. Durch die geschickte Auswahl eines OPV mit einer höheren HF-Verträglichkeit lässt sich ein solcher zu erwartender Fehler schon in der Planungsphase vermeiden, denn OPVs weisen je nach IC-Hersteller eine unterschiedliche Einstrahlfestigkeit auf. Auch die IC-Hersteller haben Gegenmaßnahmen in den ICs integriert, um deren Einstrahlfestigkeit zu erhöhen. Trotz dieser Bemühungen muss der Entwicklungsingenieur den OPV vor zu hoher HF-Beeinflussung auf der Komponente schützen. Zur optimalen Ausführung dieses HF-Schutzes sollte eine neuere Messmethode zum Einsatz kommen. Aber nicht nur dem IC-Anwender nützt die Kenntnis über die Einstrahlfestigkeit von ICs. Auch für IC-Hersteller ist es wichtig, die Störfestigkeit von ICs zu untersuchen und zu testen. Dabei ist die Störfestigkeit des ICs unter Funktion interessant. Mit neuen Messmethoden lassen sich die Grenzwerte für ICs pin-genau und rückwirkungsfrei bestimmen.

Spezielle Testverfahren

Um die Resistenz integrierter Schaltkreise gegenüber HF-Störungen zu ermitteln, sind spezielle Testverfahren erforderlich, denn es gilt, definierte HF-Störgrößen über definierte Netzwerke in das IC einzukoppeln. Für diese Charakterisierung gibt es nach der EMV-Norm für IC (IEC 62132) drei typische Messverfahren: die DPI- (Direct Power Injection) (Bild 1), die TEM-Cell-Methode (Transverse Electromagnetic Cell) und die Beaufschlagung mit einer Streifenleitung (IC Stripline).

Die DPI-Methode beruht auf der leitungsgeführten Einkopplung von Störleistung in das IC. Bei der TEM-Cell-Methode oder der IC Stipline wirkt das sich innerhalb einer definierten Zelle ausbreitende elektromagnetische Feld direkt auf die Oberfläche des ICs ein.

EMV von Anfang an berücksichtigen

Für die Entwickler einer Komponente bringen effektive Tests mehr Sicherheit bei der Entwicklung einer Komponente. Das EMV-Verhalten lässt sich von Anbeginn der Entwicklung an zielsicher und kostensparend planen und einsetzen. Aufwändige und wiederholte EMV-Tests werden nicht notwendig und weitere Entwicklungen können meist im Zeitplan erfolgen.

Dabei wird leitungsgebunde HF in den einzelnen Pin des ICs eingekoppelt. Der HF-Strom fließt aus einem Leistungsverstärker über eine 50-Ohm-Leitung und einen Koppelkondensator in den entsprechenden Pin. Die Intensität der HF-Störung wird über die mit Richtkopplern gemessene Vorwärtsleistung bestimmt. Wenn zum Beispiel eine HF-bedingte Erwärmung des ICs seine Funktion beeinträchtigt, ist die Leistung die richtige physikalische Bewertungsgröße.

Andere HF-Beeinflussungsvorgänge können aber unabhängig von der eingespeisten Leistung sein. Als Beispiele sind da das Stehenbleiben eines Oszillators oder die Demodulation in einem Operationsverstärker, einem Transistor oder einer Diode zu nennen. Diese Beeinflussungsmechanismen sind nur im geringen Maße von der im IC umgesetzten Leistung abhängig. Vielmehr erzeugen grundlegende physikalische Größen wie Strom und Spannung der HF diese Vorgänge direkt (Beispiel: Demodulation des HF-Stromes). Auch in anderen Bereichen der EMV-Prüfungen wie zum Beispiel bei Burst- oder ESD-Tests ist die Störspannung beziehungsweise der Störstrom die Größe, die den entsprechenden Störvorgang im Prüfling antreibt. Ein hoher Strom oder eine hohe Spannung ist nicht zwangsweise mit hoher Leistung verbunden.

Bewertungsbeispiel

Im Folgenden besteht die Aufgabe, für eine Anwendung in der Automobiltechnik zwei ASICs mit OPV in ihrer Einstrahlfestigkeit im Bereich bis 3 GHz zu bewerten, wofür folgendes Messverfahren zum Einsatz kommt: Die OPV-Schaltung arbeitet als invertierender Verstärker. Bei ausreichender Verstärkung wird eine Demodulation an der Eingangs-Basis-Emitter-Diode in einen messtechnisch bequem zu erfassenden Pegelbereich gehoben. Der Störgenerator mit den erforderlichen Eigenschaften wird aus den in der Praxis vorliegenden Wirkmechanismen abgeleitet (Bild 2).

Bild 3: Ersatzschaltbild des HF-Generators P503.

Bild 3: Ersatzschaltbild des HF-Generators P503.Langer EMV

Bei der Störeinstrahlung dringt die HF mit ihrem Magnetfeld in die vorhandenen niederimpedanten Schleifen des Test-ICs ein. Bei entsprechend hohen Frequenzen schließen sich diese Schleifen über die Kapazitätsbeläge der Leiterzüge. Um diesen Effekt zu simulieren, wird ein niederimpedanter Generator (Probe-Familie P500) direkt an den IC-Eingang angeschlossen. Eine entsprechende Entkopplung zum Nutzsignal (Gegenkoppel-Widerstand) erfolgt über einen Entkopplungskondensator. Mit dem niederimpedanten Generator besteht damit die Möglichkeit, im IC integrierte EMV-Maßnahmen (EMV-Kondensatoren) und deren mehr oder weniger gute HF-technische Umsetzung zu bewerten (Bild 3).

Wenn ein externer Vorwiderstand vorhanden ist, erhöht dieser die Störfestigkeit gegenüber leitungsgeführten Störgrößen. Integrierte EMV-Kondensatoren, die HF-technisch bei Prüfung mit einem niederimpedanten Generator schlecht abschneiden, weisen in Verbindung mit diesem Vorwiderstand eine bedeutend bessere Wirkung auf. Um diese beschriebene Eigenschaft zu prüfen, muss ein hochimpedanter Generator zum Einsatz kommen.

Für die Durchführung der beiden oben beschriebenen Messaufgaben hat Langer EMV die dazugehörigen Generatoren entwickelt. Die Generatoren werden zur Messung und Dokumentation der Frequenzgänge mit der dazugehörigen Steuersoftware ProbeControl verwendet.

Bild 4: Messergebnisse mit HF-Generatoren.

Bild 4: Messergebnisse mit HF-Generatoren.Langer EMV

Das Operationsverstärker-IC (DUT) befindet sich auf einer Testleiterplatte, die in eine Metallfläche (GND-Plane) eingelassen ist. Der niederimpedante oder hochimpedante Generator wird auf die Metallfläche aufgesetzt und mit den entsprechenden IC-Pin kontaktiert. In der Generator-Probe befindet sich ein Spannungsmesser zur Bestimmung der HF-Spannung (Generatorspannung-UG). Im Testaufbau regelten die Ingenieure die UG so weit hoch, bis sie eine Demodulationsspannung mit einem Effektivwert von 10 mV erreichten. Bild 4 zeigt die entsprechenden Messergebnisse. Mit steigender Frequenz steigt die Wirkung der integrierten HF-Filterkondensatoren (unterer Frequenzbereich).

Die Messung mit dem 1-R-Generator zeigt für das Operationsverstärker-IC Nr. 1 eine bessere HF-Festigkeit bis 1,5 GHz. Dies deutet auf einen größeren integrierten EMV-Kondensator oder eine bessere Verschaltung des ICs hin. Über 1 GHz bestimmen die Leitungsinduktivitäten die HF-Stromaufteilung.

Der 1k-Generator liefert naturgemäß bessere Werte. Das stabile HF-Verhalten des OPV-IC Nr. 1 ist auch in höheren Frequenzen nachweisbar (eventuell bessere Verschaltung der Kapazität). Auch im EMV-Test in der eingebauten Elektronik bestätigte sich dieses Verhalten des OPV-IC.

Die mit den neuen Messplatz Probe 500 erzielten Messergebnisse erbrachten für die Entwicklungsingenieure genauere Informationen für eine weitere Optimierung des internen IC-Layouts. Eine erneute Messreihe des Nachfolgemodells bewies, dass diese Informationen zu einer Verbesserung der HF-Störfestigkeit des neuen OPV-IC-Musters führten, sodass der IC-Anwender seinen Zulieferer nicht wechseln musste.

Ableitungen für die Komponentenentwicklung an weiteren Beispielen

Wenn in empfindliche Pins eines ICs – beispielsweise über interne Koppelwege im Layout – die Einkopplung eines HF-Stroms erfolgt, dann kann es zu einer Beeinflussung eines empfindlichen ICs kommen. In einem weiteren praktischen Beispiel fließt der HF-Strom vom Kfz-Bordnetzstecker über entsprechende Leitungsverbindungen an den Vbat-Pin des LIN-Transceivers.

Weiterhin kann über das GND-System, insbesondere im segmentierten GND von Zweilagen-Flachbaugruppen, der HF-Strom an den GND-Pin gelangen. Durch ein entsprechend flächiges GND-System lässt sich dieser Koppelweg blockieren.

Ebenso sind an Vbat die Abblock-Kondensatoren entsprechend auszulegen. Empfehlenswert ist eine Filterstruktur, die aus einer Induktivität und zwei Filterkondensatoren (PI-Filter) besteht. Der Filter verhindert, dass der HF-Strom an den sensiblen Pin gelangt. Wenn eine hohe Empfindlichkeit des Vbat-Pins bekannt ist, lässt sich eine solche Maßnahme von vornherein mit entsprechender Sorgfalt vorsehen.

Wenn eine Komponente in der Praxis entstört und dieses an der HF-Empfindlichkeit von einzelnen darauf befindlichen ICs herrührt, ist es schwierig herauszufinden, über welche Pins letztendlich die Beeinflussung des ICs erfolgt. Unübersichtliche Verhältnisse entstehen, wenn das IC mehrere empfindliche Pins aufweist, die am Fehlverhalten beteiligt sind. Dabei überdecken Kopplungen zu anderen Pins einzelne Maßnahmen in ihrer Wirksamkeit. Wenn die empfindlichen Pins des IC bekannt sind, können die Gegenmaßnahmen sicher an die richtige Stelle platziert werden. Das kann bereits im Vorfeld der eigentlichen EMV-Arbeit geschehen. Die ICs werden schneller und einfacher beherrschbar.