Mehr Effizienz bei der Baugruppenentstörung

In den letzten Jahren wurde das Erreichen der EMV-Ziele bei der Geräte- oder Komponentenentwicklung immer schwieriger. Das trifft vor allem zu, wenn moderne hochintegrierte ICs verwendet werden. Die Ursachen liegen in der immer höheren Integrationsrate und kleineren Strukturbreite von ICs, den höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten und der rasant zunehmenden Komplexität der Elektronikprodukte.

Die größten praktischen Probleme treten im Bereich der Störfestigkeit vor allem bei ESD-Prüfungen (Prüfung nach EN 61000-4-2) auf. In der Praxis kann das zum Beispiel eine hochkomplexe Aktor-Baugruppe sein, die einen High-Speed-Datenbus und einen Mikrocontroller mit Kühlkörper besitzt. Als weiteres Beispiel kann im Bereich der Störemission ein Umrichter eines Elektroautos erhebliche Probleme verursachen (Bild 1).

Bild 1: Komplexe EMV im Automobil. Langer EMV-Technik

Die EMV-Analyse an der Elektronik sowie die nachfolgende EMV-Nacharbeit führen nicht unbedingt zum erhofften Ergebnis. Häufig ist es so, dass trotz Nachbesserung keine merkliche Verbesserung eintritt. Man glaubt, schwerwiegende EMV-Probleme mit einem verbesserten Layoutstand der Elektronik und daraus folgend mit einem verbesserten Entwicklungsmuster lösen zu können. Es gibt Situationen, in denen mehrere Layoutstände keinen ausreichenden Erfolg bringen. EMV-Nachbesserungen können Konstruktionsänderungen und damit Änderungen an bereits parallel entwickelten Werkzeugen hervorrufen. Je größer und komplexer die Projekte sind und je mehr elektronische Komponenten miteinander verschaltet sind, desto schwieriger und langwieriger wird der EMV-Lösungsweg.

Oftmals baut das Entwicklungsteam zur Lösung von EMV-Problemen extra einen Prototypen, bei dem mehrere hochkomplexe Komponenten miteinander verschaltet sind. In diesem Prototyp wirken dann mehrere schwerwiegende EMV-Probleme gleichzeitig, sodass sie sich gegenseitig überdecken und damit noch schwerer lokalisierbar sind. An einem Prototyp EMV-Ziele zu erreichen, ist zu spät. Teilweise lassen sich die Ursachen der EMV-Probleme nicht finden, Konstruktionsänderungen ziehen viele weitere Aufwendungen nach sich, der Zeitrahmen der Entwicklung läuft ins Uferlose.

Ursachen und Problemlösung

Basis für das erfolgreiche Umsetzen einer Entwicklung ist das ingenieurtechnische Vorgehen im Entwicklungsprozess. Dafür sind theoretische und praktische Entwicklungswerkzeuge erforderlich. Teils fehlen diese Werkzeuge für die EMV-Entwicklung. EMV-relevante Bauteile wie Steckverbinder und ICs sind in ihrem EMV-Verhalten nicht erforscht; von diesen Teilen existiert keine technische Definition relevanter EMV-Parameter, sodass kein Dimensionierungsprozess im Rahmen einer EMV-Entwicklung möglich ist. Heutzutage baut man Bauteile wie Steckverbinder oder ICs in Entwicklungen ein, ohne zu ahnen, welche Katastrophen sie beim EMV-Test des ersten Gerätes auslösen.

Für die EMV-relevanten Bauteile müssen geeignete EMV-Parameter aus den Störmechanismen abgeleitet werden. Zwei praktische Beispiele zeigen, welche Parameter dabei praxisrelevant sind.

Beispiel 1: EMV-Parameter für IC

ICs werden einerseits durch Felder beeinflusst, die über das Gehäuse in innere Elektronikstrukturen eindringen, sowie anderseits durch Ströme, die aus Leitungsnetzen des Boards über die IC-Pins ins Innere des ICs eindringen (Bild 1). Diesen Störgrößen lassen sich konkrete Störschwellen zuordnen. So können zum Beispiel die PLL- oder Oszillatorzellen eines ICs empfindlich auf das elektrische Pulsfeld einer ESD-Pistole reagieren. Die Situation verschlimmert sich, wenn ein Kühlkörper auf dem IC-Gehäuse aufliegt. Bei sehr empfindlichen ICs genügt eine Spannungsdifferenz zum Kühlkörper von unter 100 V, um einen Ausfall des ICs zu verursachen. Bei einer ESD-Prüfung des späteren Gerätes liegen Prüfspannungen von einigen 1000 Volt, beispielsweise am Kühlkörper, an. Trotz Erdung des Kühlkörpers werden schnelle transiente Restspannungen im selben Spannungsbereich entstehen (1000 V), was zu einer massiven Störung des ICs führt.

Bild 2: Störeinwirkungen, denen der IC in der Praxis ausgesetzt sein kann.Langer EMV-Technik

Um Klarheit über die Eigenschaften des ICs zu bekommen, ist die Messung seiner Feldstörschwelle erforderlich. Dazu wird über dem IC eine Elektrode angeordnet (Bild 2), und an die Elektrode wird ein ESD-Spannungsimpuls angelegt. Um die ESD-Festigkeit bei Kühlkörperanwendung zu messen, wird der Abstand der Elektrode zum IC-Gehäuse auf 0,5 mm eingestellt. Ein hochempfindliches IC kann zum Beispiel bei 80 Volt ausfallen, während ein robustes IC mehreren 1000 Volt standhalten kann. Ein EMV-Parameter von ICs ist seine elektrische Feldstörschwelle.

Wenn für eine Elektronikentwicklung das IC mit der 80-V-Schwelle zum Einsatz kommt, dann sind zusätzliche Maßnahmen in der elektrischen und mechanischen Konstruktion des Gerätes erforderlich. Der Aufwand für die zusätzlichen Maßnahmen wird relativ hoch sein und kann bei Kosten von über 1 Euro liegen – ein Faktum, das bereits zu Entwicklungsbeginn berücksichtigt werden sollte.

Bild 3: Anordnung zur Prüfung der Störfestigkeit von ICs gegenüber elektrischen Störfeldern.Langer EMV-Technik

Aber auch der IC-Hersteller könnte die 80-V-Schwachstelle im IC durch Schaltungsänderung und Metall-Fix beseitigen. Ähnlich dem Vorgehen bei Ermittlung der Störschwelle bei elektrischem Störfeld, lassen sich Störschwellen des ICs zum magnetischen Störfeld, zu den Pin-Störströmen und Pin-Störspannungen finden. Wenn man im Vorfeld einer Elektronikentwicklung die EMV-Parameter der entsprechenden Bauteile kennt beziehungsweise klare Anforderungen an deren Entwicklung stellt, kann man EMV-Probleme vermeiden.

Beispiel 2: EMV-Parameter für Steckverbinder

Bild 4: Vereinfachte Darstellung des Wirkzusammenhangs eines Elektroantriebs mit Umrichter und Elektromotor.Langer EMV-Technik

Am Beispiel eines Elektroantriebs im Auto lassen sich die EMV-Parameter von Steckverbindern gut erläutern. Ein Umrichter speist über einen Steckverbinder den Elektromotor eines Automobils (Bild 3). Der Steckverbinder, der ein kompliziertes Schirmsystem besitzt, wurde zum besseren Verständnis auf zwei Kontakte reduziert, den Speisungskontakt a und dem Masse- oder Schirmkontakt m. Der vom Umrichter erzeugte Einspeisungsstrom I_S fließt über den Speisungskontakt a zum Motor und über den Massekontakt m des Steckverbinders zurück zum Umrichter.

Um den Massekontakt erzeugt der Strom das Magnetfeld H, das über die Flussverkettung die Spannung u_Stör induziert. Diese Spannung liegt zwischen Umrichter- und Motorgehäuse und treibt damit die Störemission an. Die Induktivitat L_K ist der Faktor, der aus der mechanischen Konstruktion folgt und der zwischen Motorstrom und induzierter Störspannung vermittelt. Er ist der gesuchte EMV-Parameter des Steckverbinders.

Bild 5: Zur Messung der Koppelinduktivität von Steckverbindern oder Kabeln nutzt man den Koppelimpedanzmessplatz.Langer EMV-Technik

Wenn L_K im nH-Bereich liegt, wird das spätere Gerät einige 10 dB Grenzwertüberschreitung in der Störemission erzeugen. Derartige Steckverbinder kann man in der Praxis in gescheiterten Entwicklungsmustern vorfinden. Werte im Bereich um 10 pH können den Anforderungen genügen. Das sollte man zu Entwicklungsbeginn wissen und berücksichtigen.

In der Praxis glaubt man, das Problem mit der Entwicklung und Entstörung von System-Prototypen zu lösen, indem man den geplanten Umrichter inklusive aller Einzelteile wie Steckverbinder, Gehäuse, Kühlsystem etc. entwickelt. Wenn man nicht bereits bewährte Steckverbinder kennt, ist die Eignung der ausgewählten Steckverbinder bezüglich der EMV-Anforderung Zufall. Der Prototyp besitzt auf Grund der vielen Einzelteile viele EMV-Schwachstellen.

Bild 6: Schematischer Aufbau eines Koppelimpedanzmessplatzes.Langer EMV-Technik

In Funktion überlagern sich die Emissionen aller Schwachstellen. Eine Eingrenzung und Entstörung kann sich deshalb als unmöglich herausstellen. Selbst wenn man einen Steckverbinder als Ursache herausgefunden hat, weiß man dann noch nicht, welcher andere Steckverbinder die Anforderungen erfüllt. Die Verwendung eines anderen Steckverbinders ist schwierig. Das Gerätegehäuse und der Anschlussbereich auf den neuen Stecker müssen umkonstruiert werden. Die Eignung des neuen Steckers ist auch nicht sicher…

Wenn man im Vorfeld einer Elektronikentwicklung die Koppelinduktivität L_K des Steckverbinders kennt beziehungsweise klare Anforderungen (L_K-Wert) an die Entwicklung eines Steckverbinders stellt, lassen sich diese Probleme vermeiden (Bilder 4 und 5).

(av)