Für den Entwickler einer elektronischen Baugruppe ist ein wichtiges Ziel seiner ‚Arbeit, eine moderne elektronische Baugruppe mit folgenden Eigenschaften zu entwickeln:

• hohe Störfestigkeit,
• optimales, möglichst geringes Schirmgehäuse und
• geringe Stromaufnahme.

Das gelingt jedoch nicht ohne weiteres.

In der Planungsphase einer Neuentwicklung ist die Bewertung seiner getroffenen EMV-Maßnahmen durch den Ingenieur schwierig. Die EMV-Eigenschaften der ausgewählten Schaltkreise sind nicht oder nur teilweise bekannt. Erhält der Entwickler genauere EMV-Parameter über die Schaltkreise, die zum Einsatz in die Schaltung geplant sind, werden seine EMV-Entscheidungen treffsicher. Diese zu bekommen ist mit spezieller IC-Messtechnik heute kein Problem mehr. Trägt die geplante Seriengröße für die Baugruppe die Kosten eines eigenen IC-Tests nicht, so ist eine entwicklungsbegleitende Untersuchung nach eventuellen Störsenken in der Musterbaugruppe der klassische Weg.

Das aufgrund von EMV-Erfahrungen und gesammelten Erkenntnissen entwickelte Muster der Baugruppe oder gar der Prototyp fällt beim Störfestigkeitstest nach Norm durch die Prüfung oder reagiert wenigstens so auffällig, dass nachgearbeitet werden muss.

Um das Ziel einer hohen Störfestigkeit zu erreichen, organisiert der Entwickler in der Elektronik verschiedenste Gegenmaßnahmen. Zielführende EMV-Maßnahmen sind jedoch nur dann erfolgreich, wenn diese an der richtigen Stelle angreifen und aus dem konkreten Wissen über Störkoppelwege abgeleitet werden können. Da jede neuentwickelte elektronische Baugruppe die Risiken von Fehlannahmen beinhaltet, ist es nötig, die Baugruppe experimentell auf ihre Störfestigkeit zu überprüfen.

Für eine effektive entwicklungsbegleitende Burst- und ESD-Untersuchung in der elektronischen Baugruppe hat sich das Zusammenspiel des Burstgenerators mit Feldquellen, Sensoren und Sonden durchgesetzt. Die Strategien für entwicklungsbegleitende Untersuchungen der Baugruppe zur Aufklärung bisher schwer analysierbarer Störphänomene soll hier vorgestellt werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können gezielte EMV-Maßnahmen zur Optimierung der elektronischen Baugruppe abgeleitet werden. Dieses systematische und zielführende Vorgehen kann zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis während der Entwicklung einer Baugruppe führen.

Wie erreicht man höhere Störfestigkeit während der Entwicklung einer Baugruppe?

Analyse der Störpfade im Prüfling

Die Störfestigkeitsuntersuchung einer Baugruppe nach der Norm IEC 61000-4-4 ist der Ausgangspunkt unserer Betrachtung. Die vom Standard-Burstgenerator nach Norm erzeugten Störgrößen werden auf das Gehäuse oder die Zuleitungen eingekoppelt. Dabei fließen die pulsförmigen Störgrößen auf unbekannten Wegen durch die Gerätebaugruppe. Im Gerät trifft ein unbekannter Anteil dieser Störgrößen auf eine unbekannte Störsenke und generiert Funktionsfehler. Diese Schwachstelle, eine oder mehrere, die sich meist auf wenigen Quadratzentimeter einer Baugruppe begrenzen lassen, kann mit dem Test nach Norm nicht effizient gefunden werden.

Noch weiß der Entwickler nicht, ob und wo der Störstrom mit seinem verknüpften Magnetfeld in einer Leiterzugschleife einen Spannungsimpuls induziert oder elektrisches Feld kapazitiv in empfindliche Leitungen einkoppelt. Das entscheidende Ergebnis beim nicht bestandenen Test nach Norm ist die genaue Kenntnis des aufgetretenen Fehlerbildes. Dieses lässt Rückschlüsse für die Art und Weise der weiteren entwicklungsbegleitenden Untersuchungen in der Baugruppe zu.

Werden in dieser Phase ohne genauere Eingrenzung der Schwachstelle im Layout EMV-Maßnahmen vorgenommen, stellt sich ein Erfolg meist nur zufällig ein. Häufig wird durch indirektes Bekämpfen der Fehlerstelle (Schirmbleche, Filter, Veränderung der sternförmigen Massen, galvanische Trennung usw.) versucht das Problem zu lösen.

Nach der Normmessung am Prüfling ist ein zweiter Schritt notwendig. In diesem Schritt sollen die Schwachstellen genauer ermittelt und lokalisiert werden. Hier ist eine genaue Fehlerbildanalyse des Normtestergebnisses für die anschließende Analyse der konkreten Störsenken wichtig. Folgende Fragen geben dabei Anhaltspunkte:

• Ab welcher Spannung tritt welcher Funktionsfehler auf?
• Tritt der Funktionsfehler sofort oder erst nach einer gewissen Zeit auf (Statistik)?
• Ist der Fehler bei jeder Messung exakt der gleiche oder gibt es kleine Unterschiede?
• Welche Veränderungen ergeben sich bei Modifikationen z.B. der Kabellage?
• Treten neben dem bekannten Funktionsfehler weitere Fehler z.B. mit geringerer Häufigkeit auf?

Um die für das Fehlerbild verantwortlichen Layoutstruckturen zu finden, hilft das Suchen mit einem definierten angelegten Störstromweg in der Baugruppe. Der Störstrom des Burstgenerators nach EN 61000-4-4 ist auf das Potenzial seines Gehäuses bezogen. Der Ingenieur kann somit keinen definierten Störstromweg in der Elektronik einstellen. Somit ist der Normaufbau nicht ohne weiteres für eine zielgerichtete Fehlersuche in den Baugruppen nutzbar. Ideal ist ein Störgenerator mit potenzialfreier Pulserzeugung.

Das Entwicklungssystem Störfestigkeit (E1) ist ein ausgereiftes Werkzeug für den Elektronikentwickler zu experimentellen Pulsstörfestigkeitsuntersuchungen von Baugruppen. Im speziellen ermöglicht es die kleinräumige Störfestigkeitsanalyse in einer Baugruppe.

Bei einer Burstprüfung fließen Störströme durch die Baugruppen des Prüflings. Der Hauptteil des Störstromes fließt dabei über das niederimpedante Versorgungssystem. Die Störströme induzieren Magnetfelder, die im GND-System Spannungsdifferenzen erzeugen bzw. Spannungen in Signalleiterschleifen induzieren.

Bei einer Burstprüfung fließen Störströme durch die Baugruppen des Prüflings. Der Hauptteil des Störstromes fließt dabei über das niederimpedante Versorgungssystem. Die Störströme induzieren Magnetfelder, die im GND-System Spannungsdifferenzen erzeugen bzw. Spannungen in Signalleiterschleifen induzieren.

Es ist nun mit vier Messstrategie möglich, die kompliziertesten Störfestigkeitsfehler aufzuklären.

• Analyse der Störstrompfade, Einspeisung mit dem Generator SGZ21 direkt in Flachbaugruppen
• Lokalisieren der Layoutfehler mit Feldquellen
• Überwachen von kritischen Logiksignalen der Flachbaugruppe
• Messung der Burstmagnetfelder zur Störstromverfolgung

Das Einkreisen der Fehler erfolgt systematisch:

1. Analyse der Störstrompfade, Reproduktion der Fehlerbilder der Normprüfung
2. Aufspüren der empfindlichen Leitungen und Bauteilanschlüsse mit Feldquellen
3. Vertiefend dazu können kritische Logiksignale überwacht und Störmagnetfelder gemessen werden.

Mit dem Generator SGZ 21 wird Störstrom leitungsgebunden in das GND-System eingespeist. Ebenso ist es möglich, den Störstrom galvanisch in das GND-System einzukoppeln und feldgebunden – z.B. über metallische Koppelplatten – wieder auszukoppeln.

Ziel dieser Messungen ist es, den bei einer Prüfung mit genormtem Aufbau aufgetretenen Funktionsfehler zu reproduzieren und die Vermutungen über die wirksamen Ein- und Auskoppelwege zu bestätigen bzw. zu korrigieren.

Wird ein Funktionsfehler im Prüfling erzeugt, beginnt die nachfolgende Fehlersuche mit der Untersuchung einzelner Abschnitte des Prüflings – z.B. einzelne Baugruppen, einzelne Kabelverbindungen, kleine Bereiche einer großen Baugruppe usw..

Entscheidend für das Lokalisieren von Schwachstellen ist die selektive Einspeisung von Störstrom in einzelne Abschnitte (Störstromwege) und das Beaufschlagen ausgewählter Gebiete der Baugruppenoberfläche mit elektrischem (E-Feld) oder magnetischen (H-Feld) Pulsfeldern. Parallel ist eine rückwirkungsfreie Signalüberwachung während der Beaufschlagung durch Pulsstörungen möglich.

Das Herzstück für die Vielzahl der Tests ist der Impulsdichte / Burst-Generator SGZ 21. Er erzeugt potentialfreie, pulsförmige Störgrößen mit Flanken von ca. 2 ns Anstiegs- und 10 ns Abfallzeit. Dagegen werden in normierten Pulsformen von 5/50 ns, Funktionsausfälle mit mehr Störstrom provoziert. Mehr Sicherheit für den Ingenieur und weniger Zerstörung von Elektronikbauteilen ist beim Test mit dem SGZ 21 zu erwarten. Des Weiteren kann partiell in Konstruktionsteile, Kabel, Schirmungen, Erdverbindungen und hauptsächlich direkt in die Baugruppen eingespeist werden. Da der erzeugte Pulsstrom nicht auf das Potential des Generatorgehäuses bezogen ist, kann der zu untersuchende Störstromweg im Geräteinneren festgelegt werden. Durch bestimmte Bereiche der Baugruppe kann damit Störstrom eingespeist werden, ohne dass die Umgebung wesentlich dadurch beeinflusst wird (Bild 1 ). Die Wirkung der Störgröße wird direkt als Funktionsfehler oder indirekt durch Signalüberwachung mittels digitalen EMV-Sensors während des Tests festgestellt.

Schwachstellensuche mit Feldquellen

Der Störstrom passiert verschieden angeordnete Leiterzugschleifen und IC-Anbindungen in der elektronischen Baugruppe. Ob diese letztlich die EMV-Fehler verursachen, hängt von der speziellen Layoutanordnung ab. Die Sensibilität eines Gerätes gegenüber pulsförmigen Störgrößen hat ihre Ursache in der Anordnung der offenen Layoutstrukturen, der Signalverbindungen und Schleifenanordnungen von Leiterzügen. Auf der gesamten Oberfläche aller im Gerät befindlichen Baugruppen sind deshalb meist nur wenige eng begrenzte Bereiche sensibel. Eine Baugruppe, welche unter EMV-Gesichtspunkten entwickelt wurde, hat oft nur ein oder zwei Schwachstellen von wenigen Millimetern Ausdehnung. Diese Schwachstellen liegen versteckt im Layout. Meist wurden diese nicht in der Gesamtbetrachtung beachtet. Mit speziellen handgeführten Miniaturfeldquellen sind auch diese versteckten Schwachstellen unkompliziert und schnell aufspürbar. (Bild 2, Bild 3)

Die Feldquellen werden vom Burstgenerator mit Störstrom gespeist und erzeugen, je nach Feldquelle, magnetische oder elektrische Pulsfelder. Diese Pulsfelder haben vergleichbare Feldstärken, wie sie bei Normprüfungen von den Burstströmen an Baugruppenoberflächen entstehen.

Die Magnetpulsfelder können in Leiterzugschleifen eine Spannung induzieren, welche Funktionsfehler in der Baugruppe hervorruft. Ist dieser Funktionsfehler mit dem Fehler aus der Normprüfung identisch, so ist die gesuchte Schwachstelle gefunden. Die gefundene Leiterzugschleife muss verkleinert werden, um die ungewollte Spannungsinduktion zu reduzieren. Beachtet werden sollte, dass mit kleinen Magnetfeldquellen keine großen Leiterschleifen aufgespürt werden können. Die Pulsfelder treten innerhalb der Leiterschleife ein und aus. Damit kann keine Spannungsinduktion erfolgen.

Deshalb werden verschiedene Sondenkopfarten, zugeschnitten für bestimmte Meßaufgaben, angeboten. Sie ermöglichen ein millimetergenaues Eingrenzen von Schwachstellen oder auch das Aufsuchen kritischer Verbindungen und Anschlüsse wie Bauelemente, Leiterzüge oder IC-Pins auf den festgelegten Störpfad. Eine Beurteilung der Sensibilität unterschiedlicher IC-Pins ist durchführbar (Bild 4 ). Die ermittelten empfindlichen Leitungen können nach ihrer Lokalisierung gezielt behandelt werden.

Die E-Feld sensiblen Schwachstellen sind mit den H-Feldquellen nicht auffindbar. Um diese Fehlerstellen zu lokalisieren sind spezielle E-Feldquellen zu nutzen. Als kritisch können sich nicht nur Abschnitte von Leiterzügen, sondern auch hochohmige Bauelemente wie Pull-Up-Widerstände oder Quarzgeneratoren erweisen.

Rückwirkungsfreie Prüflingsüberwachung unter extremem Störeinfluss

EMV-Maßnahmen werden üblicherweise mit einem Normprüfaufbau anhand der Gerätefehlfunktion bewertet. Dabei sind Ergebnisse jedoch durch statistische Effekte und subjektive Einflüsse nur ungenau und zeitraubend ermittelbar.

Durch das Einbringen einer künstlichen Störschwelle in den Prüfling (Referenz-Störschwelle, Sensor) erhält der Entwickler eine weitere Möglichkeit, die Funktionen des Prüflings zu überwachen. Bei Prüflingen, bei denen eine Beeinflussung äußerlich nicht oder nicht sofort erkennbar ist, ermöglichen diese Messungen Aussagen über den momentanen Betriebszustand des Prüflings. Der Mechanismus der Beeinflussung wird verständlich, da einer bestimmten Art der Störeinkopplung eine Wirkung genau zugeordnet werden kann. Der Einfluss z.B. der Software durch Fehlerkorrektur, durch Statistik (kritische und unkritische Betriebszustände) und Verzögerung kann unter Anwendung des Sensors S31 weitgehend ausgeschlossen und ggf. getrennt betrachtet werden.

Störschwellenüberschreitungen werden mit hoher Genauigkeit unverzögert, ohne Zufallseffekte und subjektiver Bewertung, über einen Lichtwellenleiter (LWL) aus dem Prüfling übertragen (Bild 5 ). Mit dem in der Baugruppe installierten Sensor S31 ist eine rückwirkungsfreie Signalüberwachung während der Einkopplung von Störgrößen möglich. Typische Signale sind z.B. die Watchdog-Nachtriggerung, Chip-Select-Signale und Reset.

Das Monitoring einer Signalleitung mittels eines Sensors während der Beaufschlagung der Baugruppe mit Pulsstörungen gibt Aufschluß über das Vordringen von Störgrößen. Der quantitative Faktor, mit denen eine EMV-Maßnahme Störgrößen hemmt, wird mit hoher Genauigkeit gemessen. Bereits kleine Unterschiede in der Störfestigkeit sind meßbar. Auch hierbei wird der Lichtwellenleiter zur Übertragung der Signale vom Sensor zum Empfänger eingesetzt. Das zu überwachende Signal wird direkt in den Eingang des Sensors geführt und auf 100ns Lichtimpuls gedehnt. Der Empfänger wandelt das Lichtsignal wieder in ein TTL-Signal um und ein Zähler im Generator zeigt die Zahl der Überschreitungen der Störschwelle des EMV-Sensors an. Über den im Impulsdichte / Burst-Generator enthaltenen Zähler lassen sich leicht sowohl periodische als auch statische Signale wie Reset überwachen. Die Überwachung liefert das Ergebnis, ob Reset durch Störungen ausgelöst wurde. Das Reset-Signal wird vom Zähler gedehnt und kurzzeitig angezeigt. Auch z.B. Datenleitungen können Informationen über den Zustand des Prüflings liefern: Ist die Anzahl der Impulse je Sekunde typisch oder ist sie ungewöhnlich groß (z.B. durch automatische Datenwiederholung, weil der Prüfling einen Datenfehler festgestellt hat?). Oder ist die Datenübertragung ganz ausgefallen und wann?

Eine genauere Untersuchung der Vorgänge im Prüfling während Burst-Messungen ist mit den optischen Systemen OSE möglich (Bild 1 ). Neben Sensoren sind optische Empfänger enthalten, die das Lichtsignal der Sensoren wieder in elektrische Signale wandeln, die dann über Oszilloskop ausgewertet werden können.

Damit wird eine rückwirkungsfreie und entwicklungsbegleitende Überwachung von Signalen gesichert. Die Störfestigkeit ist entgegengesetzt proportional der angezeigten Zahl im Zähler. Eine vorgenommene Layoutveränderung wird somit in ihre Wirkung auf die Störfestigkeit hin messbar.

Ein typischer Anwendungsfall ist die Dimensionierung von Filtern: Mit dem Impulsdichte / Burst-Generator wird Störstrom in einen Prüfling eingeleitet. Der Sensor überwacht eine Leitung im Prüfling und übermittelt deren Signale via LWL an den Zählereingang des Impulsdichte / Burstgenerators. Ist der Zahlenwert hoch, ist die Leitung empfindlich und störanfällig. Aus diesem Grund wird ein Filter angebracht. Erneut wird mit dem Impulsdichte / Burst-Generator Störstrom eingeleitet und die Störimpulse gezählt. Mit fortwährendem Messen und Modifizieren kann der Filter optimal dimensioniert werden.

Die Beseitigung einer einmal gefundenen konkreten Schwachstelle ist meist mit minimalem Aufwand möglich. Ist eine Layoutänderung notwendig und vertretbar (Kosten), kann man sogar den Aufwand an Schirmung und Filterung reduzieren.

Es versteht sich von selbst, eine vorgenommene Modifikation noch vor der Layoutänderung erneut experimentell auf ihre Wirksamkeit zu testen.

Zusammenfassung und Ergebnisse

Der Einsatz von entwicklungsbegleitender EMV-Messtechnik hat sich im Bereich der Verbesserung der Störfestigkeit einer modernen Digitaltechnik als eine effektive Methode durchgesetzt. Gründe dieser Entwicklung sind hoher Kostendruck und unzureichend gelöste EMV-Probleme beim Einsatz moderner elektronischer Bauteile. Diese Entwicklungstendenz treibt auch die Suche nach allgemeingültigen Lösungswegen voran. Aus technischem Verständnis heraus kann die Lösung der EMV-Problematik nur über die geräteinneren Wirkmechanismen erfolgen. Die vorgestellten Generatoren, Sonden und Sensoren sind auf die messtechnische Darstellung dieser Mechanismen zugeschnitten. Sie ermöglichen dem Entwickler und EMV-Ingenieur, die Phänomene der Störfestigkeit zu messen, zu verfolgen, zu verstehen. Diese Methodik kann kostensparend und treffsicher die EMV-Maßnahmen einfügen und bewerten.