07 EMV-Messtechnik zur Prüfung integrierter Schaltungen - Eine Einführung

Autor: Stephan Pfennig
Veröffentlicht: 17.07.2018

1 Motivation

Die entwicklungsbegleitende Prüfung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung elektronischer Geräte und Systeme. In diesem Zusammenhang gewinnen auch die Eigenschaften der elektronischen Bauelemente selbst immer mehr an Bedeutung, wie zum Beispiel die elektromagnetische Verträglichkeit der integrierten Schaltungen (ICs).

Im Hinblick auf die Verträglichkeit des gesamten Gerätes bzw. Systems ist es zweckmäßig, ICs mit einer hohen Störfestigkeit und geringen Störaussendung zu verwenden. Im Einzelfall kann dies entscheidend sein, ob ein Gerät die Anforderungen an dessen elektromagnetische Verträglichkeit erfüllt. Ein praktisches Beispiel sind Geräte, deren Gehäuse keine leitfähige Oberfläche und damit keine Schirmwirkung besitzen. In diesem Fall können Störgrößen aus der Umgebung stärker in die Elektronik des Gerätes einkoppeln und dort zu einer Beeinflussung führen. Entsprechend können intern erzeugte Störgrößen stärker in die Umgebung auskoppeln.

Um die elektromagnetische Verträglichkeit allgemein bzw. speziell von Geräten ohne Schirm zu gewährleisten bzw. zu verbessern, gilt es, die Schaltung bzw. das Layout zu optimieren. Dazu kann gehören, nur solche ICs zu verwenden, die hinsichtlich ihrer Störfestigkeit und Störaussendung entsprechend gute Werte aufweisen.

Um integrierte Schaltungen besser bewerten und vergleichen zu können, hat die Langer EMV‑Technik GmbH verschiedene IC‑Testsysteme entwickelt. Diese sollen im Weiteren vorgestellt werden und eine Zuordnung zu den aktuell existierenden, genormten Prüf- und Messverfahren erfolgen.

2 Übersicht zur aktuellen Normung

Für die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit von integrierten Schaltungen existieren verschiedene Normen. In DIN EN 61967 ist die Messung der Störaussendung spezifiziert und in DIN EN 62132 die Messung der Störfestigkeit. Die Messung der Störfestigkeit gegen transiente Störgrößen wird in DIN EN 62215 betrachtet. An dieser Stelle wird zum Beispiel auf die in DIN EN 61000‑4‑4 und DIN EN 61000‑4‑5 definierten Pulsformen (Burst, Surge) verwiesen. Eine Übersicht ausgewählter Prüf- und Messverfahren, die in den genannten Normen beschriebenen werden, ist in Tabelle 1 gegeben.

Elektromagnetische Verträglichkeit - Prüf- und Messverfahren
DIN EN 61000-4-2Störfestigkeit gegen Entladung statischer Elektrizität (ESD)
DIN EN 61000-4-4Störfestigkeit gegen schnelle transiente Störgrößen (Burst)
DIN EN 61000-4-5Störfestigkeit gegen Stoßspannungen (Surge)
Integrierte Schaltungen - Messung der Störaussendung (Messverfahren)
DIN EN 61067-2TEM-Zelle
DIN IEC/TS 61967-3Oberflächenabtastung
DIN EN 61967-4Direkte (1 Ω/150 Ω)-Auskopplung
DIN EN 61967-8IC-Streifenleitung
Integrierte Schaltungen - Messung der Störfestigkeit (Messverfahren)
DIN EN 62132-2TEM-Zelle
DIN EN 62132-3Stromeinspeisung (BCI)
DIN EN 62132-4Direkte Einspeisung der HF-Leistung (DPI)
DIN EN 62132-8IC-Streifenleitung
DIN EN 62132-9Oberflächenabtastung
Integrierte Schaltungen - Messung der Störaussendung (Messverfahren)
BS DD IEC/TS 62215-2Synchrone Einspeisung von Transienten
DIN EN 62215-3Asynchrone Einspeisung von Transienten
Tabelle 1: Übersicht ausgewählter Verfahren zur Messung der elektromagnetischen Verträglichkeit integrierter Schaltungen

3 IC-Testsysteme

Zur Messung der Störfestigkeit und Störaussendung von ICs hat die Langer EMV‑Technik GmbH verschiedene Testsysteme entwickelt. Diese können verwendet werden, um ICs hinsichtlich ihrer EMV‑Eigenschaften zu bewerten und zu vergleichen. Eine Übersicht der aktuellen IC‑Testsysteme gibt Tabelle 2.

Allgemein bietet die IC‑Messtechnik den Vorteil, dass Beeinflussungen bzw. Fehlerbilder, die typischerweise erst während der Prüfung der Geräte bzw. Systemkomponenten auftreten und auf die Verträglichkeit der ICs zurückzuführen sind, bereits auf IC‑Ebene untersucht und die entsprechenden Gegenmaßnahmen implementiert werden können. Wie in Tabelle 2 zu erkennen, können die IC‑Testsysteme in drei Anwendungsbereiche unterteilt werden: Systeme zur Messung der Störfestigkeit gegen transiente Störgrößen, Systeme zur Messung der Störfestigkeit gegen kontinuierliche Störgrößen und Systeme zur Messung der Störaussendung. In allen drei Bereichen kann zwischen der leitungsgebundenen bzw. direkten Kopplung und der feldgebundenen Kopplung im Nahfeld des ICs unterschieden werden.

Messung der Störfestigkeit gegen transiente Störgrößen
leitungsgebundene Einkopplungfeldgebundene Einkopplung (Nahfeld)
→ DIN EN 62215-3
P250 set (Burst, DIN EN 61000-4-4)P1202-4/P1302-4 set (Burst)
P331-2 set (ESD, DIN EN 61000-4-2)P1202-2 set (ESD)
P331 set (EFT, τa = 0,2 ns)P1202/P1301 set (τa = 0,2 ns)
P202/P302 set (EFT)
Seitenkanalanalyse
ICI 03 L-EFT set
Messung der Störfestigkeit gegen kontinuierliche Störgrößen
leitungsgebundene Einkopplungfeldgebundene Einkopplung (Nahfeld)
→ DIN EN 62132-4→ alternativ zu DIN EN 61967-2/-8
P500 set (DPI)P1401/P1501 set (1 GHz)
P1402/P1502 set (3 GHz)
Messung der Störaussendung
leitungsgebundene Auskopplungfeldgebundene Auskopplung (Nahfeld)
→ DIN EN 61967-4→ alternativ zu DIN EN 61967-2/-8
P603-1/P750 set (1 Ohm / 150 Ohm)P1601/P1702 set (1 GHz)
S603/S750 set (1 Ohm / 150 Ohm)P1602/P1702 set (3 GHz)
→ DIN EN 61967-3
ICR sets (Nahfeldmikrosonden)
MFA sets (Nahfeldmikrosonden)
Tabelle 2: IC-Testsysteme zur Messung der Störaussendung und Störfestigkeit

Bei der feldgebundenen Kopplung kann prinzipiell zwischen der strahlungsgebundenen Kopplung (Fernfeld) und der kapazitiven bzw. induktiven Kopplung (Nahfeld) unterschieden werden. Bei den in Tabelle 2 aufgeführten Testsystemen zur Ein- bzw. Auskopplung im Nahfeld ist der Abstand zwischen dem IC und der verwendeten Feldquelle bzw. dem verwendeten Feldmesser so klein, dass sich für den betrachteten Frequenzbereich der IC im Nahfeld der Feldquelle (Störfestigkeit) bzw. sich der Feldmesser im Nahfeld des ICs (Störaussendung) befindet.

3.1 Störfestigkeit gegen transiente Störgrößen

Ein Verfahren zur asynchronen Einspeisung transienter Störgrößen (Störimpulse) ist in DIN EN 62215‑3 beschrieben. Die Einspeisung wird als asynchron bezeichnet, da die Störimpulse nicht mit dem Systemtakt des ICs synchronisiert werden. Die Norm spezifiziert, dass ICs, die für Anwendungen im industriellen Bereich verwendet werden, gegen typische Störimpulse, wie z.B. in DIN EN 61000‑4‑4 (Burst) und DIN EN 61000‑4‑5 (Surge) definiert, getestet werden müssen. Zu diesem Zweck entwickelt die Langer EMV‑Technik GmbH verschiedene Testsysteme bzw. Prüfgeneratoren, mit denen die entsprechenden Störimpulse (EFT1) erzeugt und die ICs reproduzierbar auf Störfestigkeit geprüft werden können.

Mit dem IC‑Testsystem P250 set wird die Störfestigkeit entsprechend DIN EN 62215‑3 gegen Burst geprüft. Mit einem normkonformen Burst‑Generator (DIN EN 61000‑4‑4) werden die Störimpulse erzeugt und unter Verwendung des Koppelnetzwerkes P250 kapazitiv in die entsprechenden Pins des ICs eingekoppelt.

Störimpulse, die durch elektrostatische Entladungen (ESD) entstehen, können mit den IC‑Testsystemen P331 set und P331‑2 set erzeugt werden. Bei Verwendung des P331‑2 set werden Störimpulse, wie in DIN EN 61000‑4‑2 definiert, erzeugt und direkt in die entsprechenden Pins des ICs eingekoppelt. Bei Verwendung des P331 set wird ein Störimpuls mit einer verkürzten Anstiegszeit von τa = 0,2 ns erzeugt [1]. Diese Prüfung ist daher schärfer als die Störfestigkeitsprüfung mit dem normkonformen Störimpuls (τa = 1 ns).

Zur Prüfung der Störfestigkeit gegen transiente Störgrößen kann auch das IC‑Testsystem P202/P302 set verwendet werden, das die Pulsgeneratoren P202 und P302 enthält. Die vom Pulsstromgenerator P202 und Pulsspannungsgenerator P302 erzeugten Störimpulse werden über die Kontaktspitze der Generatoren direkt in die IC‑Pins eingekoppelt. Die Pulsformen leiten sich aus den unterschiedlichen Koppelmechanismen ab, die bei externer Beaufschlagung der Geräte zu den entsprechenden Störgrößen am Eingang der IC‑Pins führen [2, 3].

Mit den IC‑Testsystemen P1202‑4/P1302‑4 set, P1202‑2 set und P1202/P1301 set können die entsprechenden Störimpulse auch feldgebundenen, das heißt im Nahfeld des ICs induktiv bzw. kapazitiv eingekoppelt werden. Das bedeutet, der IC wird mit den resultierenden Störfeldern beaufschlagt. Diese Testsysteme bieten damit die Möglichkeit, ICs mit Störfeldern zu beaufschlagen, wie sie z.B. bei der ESD‑Beaufschlagung bzw. ESD‑Prüfung im Inneren des Gerätes entstehen.

Das IC‑Testsystem ICI 03 L‑EFT set erzeugt schnelle transiente Störgrößen (Störimpulse) und wird zur Seitenkanalanalyse verwendet. Mit Hilfe der im Testsystem enthaltenen drei Quellen können Störimpulse magnetisch (induktiv) bzw. elektrisch (kapazitiv) eingekoppelt oder über die Kontaktspitze direkt eingespeist werden (Forward Body Biased Injection).

1 schnelle transiente Störgrößen, electric fast transients (EFT)

3.2 Störfestigkeit gegen kontinuierliche Störgrößen

Für integrierte Schaltungen ist die Messung der Störfestigkeit gegen leitungsgebundene und strahlungsgebundene Störgrößen in DIN EN 62132 spezifiziert. Ein Verfahren zur direkten Einspeisung der HF‑Leistung (DPI) ist in DIN EN 62132‑4 beschrieben. Zur Messung der strahlungsgebundenen Störfestigkeit können die TEM‑Zelle (DIN EN 62132‑2) und die IC‑Streifenleitung (DIN EN 62132‑8) verwendet werden.

Zur direkten Einspeisung der HF‑Leistung kann das IC‑Testsystem P500 set verwendet werden. Das System enthält drei verschiedene Koppelnetzwerke, die für verschiedene Frequenzbereiche und Eingangsspannungen verwendet werden können. Das verwendete Koppelnetzwerk wird von einem externen Signalgenerator und Leistungsverstärker gespeist und koppelt das erzeugte Störsignal direkt in den zu prüfenden Pin des ICs ein.

Die IC‑Testsysteme P1401/P1501 set und P1402/P1502 set wurden speziell entwickelt, um die Störfestigkeit von ICs getrennt für das elektrische und magnetische Feld zu bewerten. Die enthaltenen Feldquellen P1401 und P1501 bzw. P1402 und P1502 erzeugen ein elektrisches bzw. magnetisches Prüffeld, mit dem die Störfestigkeit von ICs im Nahfeld der Feldquellen gemessen werden kann. Diese Methode wurde in [4] vorgestellt und kann im Frequenzbereich bis 1 GHz bzw. 3 GHz verwendet werden. Die getrennte Messung der Störfestigkeit für das elektrische und magnetische Feld bietet sich speziell für entwicklungsbegleitende Messungen an und kann ergänzend zur Messung in der TEM‑Zelle und IC‑Streifenleitung verwendet werden.

3.3 Störaussendung

In DIN EN 61967‑4 ist ein Verfahren zur Messung der leitungsgebundenen Störaussendung, das als Messung mit direkter (1 Ω/150 Ω)-Kopplung bezeichnet wird. Zur Messung der jeweiligen Störgröße, d.h. des Störstromes bzw. der Störspannung, wird ein HF‑Tastkopf mit einem (1 Ω)‑Widerstand bzw. ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit einer Eingangsimpedanz von 150 Ω verwendet. Für dieses Verfahren wurde das IC‑Testsystem P603‑1/P750 set entwickelt. Das Testsystem enthält den HF‑Tastkopf (HF‑Strommesser) P603‑1 und das Anpassungsnetzwerk (HF-Spannungsmesser) P750. Bei der Messung werden der Tastkopf oder das Anpassungsnetzwerk über eine Kontaktspitze direkt mit dem zu prüfenden Pin verbunden.

Alternativ kann zur Messung der leitungsgebundenen Störaussendung das IC‑Testsystem S603/S750 set verwendet werden. Im Vergleich zum IC‑Testsystem P603‑1/P750 werden der HF‑Tastkopf S603 und das Anpassungsnetzwerk S750 über SMA‑Steckverbinder mit dem zu prüfenden IC‑Pin auf der Testleiterkarte verbunden. Dies entspricht dem Messaufbau gemäß DIN EN 61967‑4.

Zur Messung der feldgebundenen Störaussendung bis 1 GHz bzw. 3 GHz wurden die IC‑Testsysteme P1601/P1702 set und P1602/P1702 set entwickelt. Mit den Feldsonden P1601 und P1701 bzw. P1602 und P1702 wird das elektrische und magnetische Feld im Nahfeld des zu prüfenden ICs gemessen. Im Vergleich zur Messung in der TEM‑Zelle (DIN EN 61967‑2) erfolgt die Messung des elektrischen und magnetischen Feldes getrennt. Diese Methode hat den Vorteil, dass die gemessenen Störspektren das gesamte Störpotential des ICs als Störquelle beschreiben. Da die Abmessungen der ICs verhältnismäßig klein sind, können vom IC direkt nur sehr hochfrequente Störungen ins Fernfeld abstrahlen. Zur Abstrahlung kleinerer Frequenzanteile kann es kommen, wenn in den Anwendungen bzw. Geräten zusätzlich leitfähige Strukturen vorhanden sind, die durch die Störungen der ICs angeregt werden und als Antennen wirken, d.h. entsprechende Anteile des Störspektrums abstrahlen [5].

Zur Bewertung des Störpotentials von ICs bzw. zum Vergleich verschiedener ICs kann auch das Verfahren der Oberflächenabtastung verwendet werden, das in der Vornorm DIN IEC/TS 61967‑3 beschrieben wird. Zur Oberflächenabtastung werden hochauflösende Nahfeldsonden benötigt, die das elektrische und magnetische Feld im Nahfeld der ICs messen können. Die Nahfeldmikrosonden ICR wurden speziell zur Oberflächenabtastung entwickelt und besitzen eine sehr hohe Auflösung und Empfindlichkeit. Abhängig von der verwendeten Sonde können Auflösungen zwischen 300 μm und 60 μm realisiert werden.

Die aktiven Nahfeldmikrosonden MFA besitzen ebenfalls eine sehr gute Auflösung (bis 300 μm) und eignen sich speziell zur Messung hochfrequenter magnetischer Felder an einzelnen IC‑Pins, Signalleitungen und kleinsten SMD‑Bauelementen. Abhängig von der Sonde können diese bis 1 GHz bzw. 6 GHz verwendet werden.

4 Zusammenfassung

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von elektronischen Geräten und Systemen ist die elektromagnetische Verträglichkeit. Um die Einhaltung der EMV‑Anforderung sicherzustellen, werden entwicklungsbegleitend Messungen durchgeführt. In Abhängigkeit von der Komplexität der Systeme werden zunächst einzelne Komponenten (Module) getestet. In diesem Zusammenhang gewinnen gerade die EMV‑Eigenschaften der verwendeten ICs immer mehr an Bedeutung. Zur Bewertung dieser Eigenschaften existieren verschiedene genormte Prüf- und Messverfahren.

Um die EMV‑Eigenschaften integrierter Schaltungen besser bewerten und vergleichen zu können, hat die Langer EMV‑Technik GmbH verschiedene IC‑Testsysteme entwickelt. Diese wurden in den letzten Abschnitten vorgestellt und den entsprechenden Normen bzw. genormtem Messverfahren zugeordnet. Weiterführende Informationen zu allen IC‑Testsystemen finden Sie auf unserer Webseite (www.langer-emv.de) im Bereich Produkte, IC‑Messtechnik.

Literatur:

[1] Langer, Gunter: Einfluss von ESD auf ICs. In: Elektronik (elektroniknet.de). - Veröffentlicht am 17.03.2015.
[2] Langer EMV-Technik GmbH: Vom Gerätetest zu einem IC-Testsystem, Teil 1. In: Elektronik Praxis (Nr. 19, 2016)
[3] Langer EMV-Technik GmbH: Vom Gerätetest zu einem IC-Testsystem, Teil 2. In: Elektronik Praxis (Nr. 22, 2016)
[4] Pfennig, Stephan; Langer, Gunter: Messung der Störfestigkeit integrierter Schaltungen getrennt für das elektrische und magnetische Feld. In: emv - Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, 2018. - ISBN 978-3-95735-077-0
[5] Hubing, T. H.: Printed Circuit Board EMI Source Mechanisms. In: 2003 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2003. - DOI 10.1109/ISEMC.2003.1236553