1 Vorspann

Immer häufiger bestehen komplexe Geräte mit integrierten Schaltkreisen und niedriger Versorgungsspannung nicht die Störfestigkeitsprüfung. Die Suche und Beseitigung der Schwachstellen stellt in solchen komplexen Geräten meist eine große Herausforderung dar. Für eine schnelle, gezielte und damit kostensparende Beseitigung der Schwachstellen werden deshalb effektive Strategien zur systematischen Störfestigkeitsanalyse auf Board-Ebene und das passende Equipment benötigt.

2 Einleitung

Die Absenkung der Versorgungsspannung von integrierten Schaltkreisen in komplexen Baugruppen und der damit sinkende Störabstand der Nutzsignale, führen immer häufiger zu Ausfällen bei der Störfestigkeitsprüfung. Da mit Normprüftechnik elektronische Geräte nur als Ganzes geprüft werden („Black Box“-Prinzip), ist eine tiefer gehende Untersuchung der Störstromwege durch die Baugruppe und die Identifizierung der tatsächlichen Schwachstellen kaum möglich. Oft werden deshalb nach der Methode „Trial and Error“ Filter- und Schirmmaßnahmen im Prüfling angebracht und so lange modifiziert, bis die geforderte Störfestigkeit erreicht wird. Die langwierige Suche und die häufigen Durchläufe im Prüflabor führen zwangsläufig zu einer längeren Entwicklungszeit und damit zu höheren Entwicklungskosten. Weiterhin steigen meist die Fertigungskosten durch die oft fehlplatzierten und dadurch überdimensionierten Filter- und Schirmmaßnahmen.

Da der Normprüfplatz sich nicht ausreichend zur Störfestigkeitsanalyse eignet, werden neue Entwicklungswerkzeuge benötigt, die eine Störfestigkeitsanalyse direkt in der Schaltung erlauben. Das zentrale Element dieser Werkzeuge bildet ein Burstgenerator, der auf die Problemlösung direkt in der Schaltung angepasst ist. Dieser generiert kontinuierlich eine zufällige Folge von unterschiedlich hohen Spannungsimpulsen von bis zu 1500 Volt. Im Vergleich zu EFT/B – Generatoren (Electrical Fast Transient/Burst) nach EN 61000-4-4 besitzen diese Impulse eine geringere Störenergie und können zur Schwachstellensuche direkt in elektronische Baugruppen eingespeist werden. Durch die direkte Einspeisung reicht die Störenergie dennoch aus, um eine vergleichbare Störwirkung eines von außen angeschlossenen EFT/B – Generators zu erzielen. Die Wahrscheinlichkeit, elektronische Bauteile bei der Schwachstellensuche zu beschädigen, wird aufgrund der geringeren Störenergie reduziert. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal sind die potentialfreien Ausgänge des Burstgenerators. Durch diese potentialfreien Ausgänge ist es möglich, die erzeugten Impulse auch unabhängig vom Massesystem gezielt in bestimmte Bereiche einer Baugruppe einzuspeisen. Dadurch lassen sich sehr schnell Schwachstellen innerhalb der Baugruppe, durch abschnittweise Untersuchungen des Störstromweges, lokalisieren. Für detailliertere Untersuchungen können Feldquellen mit dem Burstgenerator gespeist und die so erzeugten magnetischen oder elektrischen Pulsfelder in die Baugruppe eingekoppelt werden. Weiterhin ist die Analyse der Störstrompfade durch eine Baugruppe mittels Magnetfeldsonden oder eines optischen Sensors möglich.

Ausgangspunkt der systematischen Störfestigkeitsanalyse ist die Prüfung des Gerätes nach der Norm EN 61000-4-4. Das aufgetretene Fehlerbild bei der Normprüfung ist eine sehr wichtige Information für die nachfolgenden Untersuchungen. Anhand des Fehlerbildes kann aber noch nicht die Schwachstelle im Gerät eindeutig identifiziert werden. Beispielsweise ist bei einem Displayausfall nicht zwingend das Display selbst die Schwachstelle, sondern es können auch der Grafikcontroller oder der Hauptprozessor die Ursache sein. Für die nachfolgend aufgeführten Messstrategien ist das Fehlerbild zur Nachbildung des Verhaltens der Baugruppe bei der Normprüfung notwendig.

3 Hauptteil

3.1 Analyse der Störstrompfade

Zur Analyse der Störstrompfade wird der Störstrom des Burstgenerators über verschiedene Wege durch die Baugruppe geleitet. Es wird mit der massebezogenen Einspeisung in die Stromversorgungswege oder in die Schnittstellen der Baugruppe begonnen und auftretende Funktionsfehler des Prüflings beobachtet. Dieses Vorgehen dient zur Nachbildung des Fehlerbildes, das bei der Normprüfung aufgetreten ist. In den nächsten Schritten wird durch die abschnittweise Störstromeinspeisung die Schwachstelle eingegrenzt. Durch die potentialfreien Ausgänge des Burstgenerators kann der Störstrom auch unabhängig vom Massesystem gezielt in bestimmte Bereiche der Baugruppe eingespeist werden.

3.2 Lokalisieren der Schwachstellen mit Feldquellen

In den meisten Fällen können die Schwachstellen durch die Analyse der Störstrompfade, je nach Bauelementedichte, nur auf eine bestimmte Gruppe von Bauelementen oder Leiterstrukturen eingegrenzt werden. Da die Beeinflussung von ICs hauptsächlich durch magnetische oder elektrische Pulsfelder der eingespeisten Störströme bzw. -spannungen erfolgt, werden diese im nächsten Schritt untersucht. Dazu werden derartige Felder mithilfe von Feldquellen nachgebildet und gezielt in Anschlüsse von Bauelementen oder in Leiterstrukturen eingespeist. Auch hier werden wieder die auftretenden Funktionsfehler des Prüflings zur Eingrenzung der Schwachstelle genutzt. Je nach Größe der Feldquelle kann eine Lokalisierung bis auf wenige Millimeter erfolgen. Damit ist es möglich, auch einzelne empfindliche Anschlusspins eines ICs zu ermitteln.

3.3 Analyse der Burst-Magnetfelder

Die dritte Messstrategie dient der Analyse der Ausbreitung der Burst-Magnetfelder auf einer Baugruppe. Dafür wird der Störstrom leitungsgebunden in den zu untersuchenden Bereich der Baugruppe eingespeist. Der Störstrom erzeugt um die durchflossenen Leiter magnetische Felder, die mit einer Magnetfeldsonde gemessen werden können. Die Magnetfeldsonde erzeugt Lichtimpulse mit einer von der mittleren magnetischen Flussdichte abhängigen Frequenz. Die Magnetfeldsonde ist über einen Lichtwellenleiter mit dem optischen Eingang des im Burstgenerator integrierten Impulsdichtezählers verbunden. Der angezeigte Wert des Impulsdichtezählers ist proportional der magnetischen Flussdichte. Durch das Drehen und Neigen der Magnetfeldsonde kann die Orientierung des magnetischen Feldes bestimmt werden. Somit kann mit der Magnetfeldsonde der Feldverlauf und damit der Störstrompfad durch die Baugruppe verfolgt und analysiert werden.

3.4 Überwachen von Logiksignalen und Analysieren der Störschwelle

Mit der vierten Strategie werden bestimmte Logiksignale mithilfe von Sensoren auf der Baugruppe überwacht. Der Sensor wird an das zu überwachende Signal angeschlossen und wandelt dieses in Lichtsignale um. Durch die Signalübertragung über einen Lichtwellenleiter ist eine rückwirkungsfreie Messung unter extremen Störfeldern möglich. Die Überwachung von Logiksignalen umfasst hauptsächlich deterministische Logiksignale, wie Reset, Clock und CE (Chip Enable). Bei bekannten Datensequenzen können auch Datensignale überwacht werden. Wichtig ist, dass Fehler im überwachten Signal eindeutig erkennbar sind. Bei der Untersuchung wird die Baugruppe direkt mit dem Burstgenerator oder mit den Feldquellen beaufschlagt. Mit diesem Verfahren werden zusätzliche Informationen über die Störvorgänge in der Baugruppe gewonnen. Dies ist hilfreich, wenn Funktionsfehler äußerlich nicht erkennbar sind oder durch interne Verarbeitungsprozesse extrem verzögert auftreten. Die Überprüfung der Wirksamkeit von EMV-Maßnahmen kann in ähnlicher Weise erfolgen. Dazu wird ein gestörtes Logiksignal mit einem Sensor überwacht und die Messwerte werden mit und ohne implementierte EMV-Maßnahme verglichen. Veränderungen auf der Baugruppe können damit schnell und zuverlässig bewertet werden.

4 Zusammenfassung

Unter Verwendung spezieller entwicklungsbegleitender Mess- und Prüfverfahren können Störimpulse systematisch in bestimmte Bereiche der Baugruppe eingespeist werden. Um Störfestigkeitsschwachstellen einzugrenzen, werden Fehlerbilder reproduziert und Störstrompfade analysiert. Die tatsächlichen Schwachstellen werden dadurch schnell und effizient identifiziert und daraus gezielte EMV-Maßnahmen abgeleitet. Die Wirksamkeit der eingeleiteten Maßnahmen wird anschließend direkt auf dem Board verifiziert. Durch diese systematische Störfestigkeitsanalyse können Schwachstellen schnell und gezielt ermittelt und beseitigt werden. Letztendlich sind dadurch die Reduzierung der Entwicklungszeit und der Entwicklungskosten durch weniger Durchläufe im Prüflabor, sowie die Senkung der Fertigungskosten durch gezielte EMV-Maßnahmen möglich.

5 Literatur

• DIN Deutsches Institut für Normung e. V. : DIN EN 61000-4-4 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-4. Berlin: Beuth Verlag GmbH; 2013
• Langer, G.: Entwicklungssystem Störfestigkeit E1. Bannewitz: Langer EMV-Technik GmbH; 2014
• Langer, G.: Störfestigkeit – Experimental-Seminar, Schulungsunterlagen. Bannewitz: Ingenieurbüro Langer; 2009