Entwicklungsbegleitendes Messen

EMV - Fachtagung
22. Januar 2013
Bern EXPO
Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D-01728 Bannewitz
Inhaltsverzeichnis
1. Mechanismen der Störaussendung ............................................. 3
1.1. Entstehung von HF-Feldern auf Baugruppen ........................................ 3
1.2. Prüfling und Kabel als Sendeantenne .................................................... 4
1.3. Arten der Antennenspeisung .................................................................. 5
2. Messverfahren für den Entwickler ............................................... 6
3. Einsatz von Nahfeldsonden ........................................................ 10
3.1. Arten von Nahfeldsonden ...................................................................... 11
3.2. Strategien zur Anwendung .................................................................... 11
4. Einbringen von Gegenmaßnahmen in die Wirkungskette ....... 13
5. HF-Messungen ............................................................................. 14
5.1. HF-Messungen bei kleinsten Strukturen .............................................. 14
5.2. HF-Messung auf Datenleitungen ........................................................... 15
Entwicklungsbegleitende Emissionsuntersuchungen
Entwicklungsbegleitende Untersuchungen zur Störaussendung sollen dem
Entwickler helfen, die innerhalb des Prüflings wirkenden Mechanismen transparent
und verständlich zu machen. Sie sind Voraussetzung dafür, die notwendigen
Modifikationen zu ermitteln, in kurzer Zeit umzusetzen und dadurch zusätzliche
Filterelemente und Schirmungen auf ein Minimum zu reduzieren.
Nachfolgend werden anhand überschaubarer Strukturen die grundsätzlichen Mechanismen beschrieben, auf die sich alle Aussendungssprobleme zurückführen
lassen. Davon ausgehend sind Messverfahren beschrieben, die dem Entwickler
helfen sollen, aus der Vielzahl der Bauelemente und Signalverbindungen in
seinem Prüfling die kritischen herauszufinden und die durchgeführten Modifikationen auf ihre Wirksamkeit hin zu untersuchen.
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1. Mechanismen der Störaussendung
1.1. Entstehung von HF-Feldern auf Baugruppen
Die potentiellen Quellen einer Störaussendung von Baugruppen sind getaktete
Halbleiter mit den physikalischen Größen: Strom und Spannung. Diese Größen
erzeugen über Leitungsnetze im umgebenen Raum die Feldgrößen H, B, E und D.
Diese Felder sind Nahfelder.
Nachfolgend sind die an einem Ausgangspin eines IC gemessenen Spannungen
in Abhängigkeit von der Pegellage dargestellt. Es wird deutlich, dass die im
Inneren des IC erzeugten HF-Spannungen und HF-Ströme über IC-Pins nach
außen koppeln. Das IC-Pin in unserem Beispiel muss dazu nicht geschaltet
werden.
Neben Ausgangspins können – je nach IC – auch über Versorgungspins und
Eingangspins (diese sind über Schutzbeschaltungen mit der IC-Versorgung
verbunden) HF-Ströme und -spannungen ausgekoppelt werden.
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1.2. Prüfling und Kabel als Sendeantenne
In den meisten Fällen wird die Elektronikbaugruppe des Prüflings nicht selbst aussenden. Sie wird vielmehr in angeschlossene Kabel und Konstruktionsteile HFStröme und HF-Spannungen einkoppeln, die ihrerseits die gesamte metallische
Struktur – z.B. bestehend aus Baugruppe, Gehäuse, Kabel – zum Schwingen
anregt.
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1.3. Arten der Antennenspeisung
Drei unterschiedliche Arten der Anregung der als Antenne wirkenden metallischen
Struktur durch die Baugruppe können auftreten:
Die u/i gespeiste Antenne auf Baugruppen/Geräteniveau ist ein freistehender
Leiterzug, der von einem Halbleiter mit HF gespeist wird. Die Leiterzüge auf den
Flachbaugruppen liegen dagegen nicht wie im Bild dargestellt frei, sondern sind im
Layout von Leiterkarten oder in Kabeln dicht an benachbartes Metall angeordnet.
Das Metall wirkt meist als Schirm und verhindert dadurch das Ausbilden der
direkten Abstrahlung.
Bei der E/D gespeisten Antenne erfolgt die Speisung über die Platten eines
Kondensators. Die HF-Spannung tragenden Leitungen oder Bauteiloberflächen
erzeugen in ihrer Umgebung ein elektrisches Feld E. Dieses Feld erzeugt einen
Verschiebestrom D=  E. Dieser Strom kann in benachbarte Metallteile überkoppeln und das Metallsystem des gesamten Gerätes als Antenne anregen. Das
Nahfeld E bzw. D ist ein Erregerfeld. Es existiert unabhängig vom Antennenfeld
und erzeugt direkt kein Fernfeld.
Bei der B/H gespeisten Antenne erfolgt die Anregung über das Magnetfeld H, B.
Ein Erregerstrom erzeugt ein Magnetfeld. Umfasst das Magnetfeld ein Antennenelement, induziert es die Erregerspannung u = d /dt. Dabei kann das Metallsystem ein Teil des Erregerstromkreises sein, z.B. eine GND-Fläche.
Das Metallsystem der Antenne kann ebenso getrennt vom Erregerstromkreis
angeordnet sein - z.B. ein benachbartes metallisches Teil.
Die Magnetfelder werden auf der Baugruppe erzeugt durch IC-Stromschleifen
(Stromschleifen im Inneren von Schaltkreisen), Stromschleifen im Layout der
Baugruppe, im Bereich von Steckverbinderstifte, Versorgungsleitungen oder
Signalleitungen.
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2. Messverfahren für den Entwickler
Neben den üblichen Messungen z.B. mit Antenne gibt es die Möglichkeit, für Vergleichszwecke (zur Bewertung von Modifikationen) den aus dem Prüfling in die
angeschlossenen Kabel fließenden HF-Strom zu messen. Diese Methode hat den
Vorteil, dass nur ein sehr kleinräumiger Messaufbau benötigt wird, der in der Nähe
des Entwicklerarbeitsplatzes aufgebaut werden kann:
Um Umgebungseinflüsse zu minimieren und den Einfluss von Kabellänge und
Kabellage zu verringern, ist es notwendig, eine metallische Bezugsfläche
einzuführen, auf die sich die Messung bezieht. Alle angeschlossenen Kabel
werden auf dieser Fläche definiert verlegt (z.B. in der Umgebung des Prüflings mit
Klebeband fixiert und im weiteren Verlauf mit Ferriten befiltert). Es entsteht ein
kleinräumiger Messaufbau, der reproduzierbare Vergleichsmessungen unmittelbar
am Entwicklerarbeitsplatz ermöglicht und damit während der EMV-Optimierung
eine erhebliche Zeit- und Kosteneinsparung gegenüber herkömmlichen
Messungen im Labor ermöglicht.
Natürlich ist nach Abschluss der Optimierung noch eine Messung unter genormten
Bedingungen - z.B. bei einem Dienstleister im Freifeld zur Bestätigung
erforderlich.
Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D-01728 Bannewitz
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Im Bild wird ein Prüfling mit zwei Kabelanschlüssen bewertet:
Das Kabel am linken Anschluss wird durch einen Stromwandler geführt, das
rechte Kabel wird zur Funktion des Prüfling nicht benötigt und ist – zur Vereinfachung des Messaufbaus - durch eine kapazitive Ankopplung an die metallische
Bezugsfläche ersetzt.
Prüflinge mit nur einen angeschlossenen Kabel werden auf ähnliche Weise
bewertet: Der HF-Strom fließt aus dem Prüfling durch den HF-Stromwandler in die
Metallfläche und durch die kapazitive Kopplung zwischen Prüfling und Metallfläche
wieder zum Prüfling zurück.
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Ebenso werden HF-Ströme erfasst, die durch elektrische Auskopplung von Verschiebestrom in die Umgebung des Prüflings hervorgerufen werden.
Messungen an komplexen Geräten können ebenso durchgeführt werden. Es
empfiehlt sich, zur besseren Zuordnung der gemessenen HF-Ströme zu deren
Quellen einzelne Teile des Prüflings mehrfach mit der metallischen Grundplatte zu
verbinden und so als HF-Quelle auszuschalten.
Im Bild wird durch Einsatz eines HF-Stromwandlers HFW 21 der aus einem
Schnittstellenmodul ausgekoppelte HF-Strom gemessen. Der von der Grundplatine erzeugte HF-Strom wird durch die Verbindung der Grundplatine mit der
metallischen Grundplatte eliminiert. Somit kann nur das Schnittstellenmodul
bewertet und modifiziert werden.
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3. Einsatz von Nahfeldsonden
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3.1. Arten von Nahfeldsonden
Für die Nahfeldaufklärung auf der Baugruppe werden verschiedene H/B Nahfeldsonden und E/D Nahfeldsonden weltweit angeboten. Jede dieser Sondenfamilie
wurde unter einer bestimmten Aufgabenstellung entwickelt.
Für die entwicklungsbegleitende Suche der Quellen einer Emission im Layout
einer Baugruppe sind folgende Kriterien für die Auswahl einer optimalen Nahfeldsonde wichtig:
- genaue Unterscheidung zwischen H/B- und E/D-Nahfelder
- Anpassung der Sondenköpfe an die zu messenden Feldstärken und
Feldstrukturen
- Möglichkeit der Richtungsbestimmung bei H/B-Nahfeldmessung
- breiter nutzbarer Frequenzbereich
- bequeme Handhabung beim Messen
Von diesen Kriterien ausgehend gibt es nicht eine optimale Nahfeldsonde für die
Quellensuche einer Emission. Es steht vielmehr die Aufgabe an den HardwareEntwickler, für seine Baugruppengröße und Layoutanforderungen und die jeweilige Felderregung und den benötigten Frequenzgang die optimalen Sonden zu
finden und einzusetzen. Hierbei ist es wichtig, eine Messstrategie der Nahfeldmessung zu entwickeln, um mit den ausgesuchten Nahfeldsonden die Quellen der
Emission auf dem Board zu finden.
3.2. Strategien zur Anwendung
Die Anwendung von Werkzeugen wird aus den vorgestellten Modellen und
Lösungsansätzen abgeleitet.
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Es wird geprüft, ob elektrische Erregerfelder für die E/D gespeiste Antenne
vorhanden sind. Mit der E-Feldsonde RF-E 02 muss ein deutliches Maximum über
der Baugruppe (ca. 2 cm) nachweisbar sein. Dann wird Erregerstrom von der
Baugruppe abgegeben. Mit der höher auflösenden Nahfeldsonde RF-E 05 werden
die Leitung oder das Bauteil eingegrenzt, die als Quelle das Feld abgibt.
Ist eine höhere Auflösung notwendig, z.B.
Anordnung der Leiterzüge in 0,2 mm Abstand,
kommt die Sonde RF-E 10 zum Einsatz.
Unabhängig vom elektrischen Feld können magnetische Erregerfelder für die H/B
gespeiste Antenne vorhanden sein. Mit der Feldsonde RF-R 400-1 werden die
Felder H1 und H2 gesucht. Die Felder H2 sind nur dann von Bedeutung, wenn
Metallteile für eine Induktion in ihrem Wirkungskreis liegen. Das Feld H1 kann nur
dort selektiv erfasst werden, wo die Felder H2 gering sind.
Die Suche der relevanten Stromschleifen gestaltet sich auf Flachbaugruppen
schwierig, da man auf das Feld H2 angewiesen ist, welches nicht zur Aussendung
führt. Meist sind mehrere Schleifen vorhanden. Die Leitungen, die zu diesen
Schleifen, gehören findet man mit der Sonde RF-U 2,5-2. Der Stromfluss kann
über IC-Pin’s, Leitungen und Kondensatoren verfolgt werden. Es läßt sich
feststellen, welcher Stromanteil durch Kondensatoren hindurch oder an ihnen
vorbei fließt.
Weitere verfügbare Nahfeldsonden der Typen XF und MFA werden im Anhang
vorgestellt.
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4. Einbringen von Gegenmaßnahmen in die Wirkungskette
Die Gegenmaßnahmen unterliegen dem Modell der E/D und H/B gespeisten
Antenne und dem Modell des magnetischen Nichtleiters. Es sind alle kreativen
Ideen gefragt, die in ihrer Realisierung in die Wirkungsketten vorteilhaft eingreifen.
Die grobe Orientierung läßt sich aus den Modellen verallgemeinern.
1. Die felderzeugenden physikalische Größen u und i werden so verändert, dass
die schädlichen Frequenzanteile ausreichend reduziert werden.
Die Verbesserung der Signalgrößen u und i aus EMV-Sicht kann durch Verändern
der Software, der Hardware-Logik oder der Halbleiterparameter erfolgen. Dieser
Weg ist selten beschreitbar. Praktisch dämpft man die physikalischen Größen u, i
mit Bauteilen R, L und C. Dabei muss die Signalintegrität gewahrt bleiben. Damit
sind Grenzen gesetzt. Z.B. sind praktisch Display Flachbandleitungen mit einem
Pixeltakt bis ca. 15 MHz beherrschbar.
Diese Methode ist nicht nur auf Signalleitungen beschränkt.
Stromversorgungsanschlüsse von z.B. µC können ebenfalls mit R, L bedämpft
werden. Es ist ein Trugschluss anzunehmen, dass Stromversorgungsanschlüsse
immer gut abgeblockt werden müssen. Eine gute Abblockung kann eine nicht
mehr zu beherrschende Stromschleife aufbauen. Beispielsweise erzeugen PowerGND-Planes durch ihre harte Abblockung das Stromschleifenproblem.
2. Die feldabgebenden Leitungsnetze und Bauteile werden so verändert, dass die
Abgabe von Feld ausreichend reduziert wird
Der zweite Weg ist das Reduzieren der Nahfeldabgabe. Das ist bei elektrischen
Feldern einfacher. Es genügt, die freie Oberfläche der Leitungsnetze zu verringern. Das ist durch Verkürzen, Annähern an oder Abdecken mit GND möglich.
Magnetfeld ist schwieriger zu beherrschen. Aus dem H1/H2 Modell läßt sich
ablesen, dass Schleifenhöhe und Metallsystembreite im umgekehrt proportionalen
Zusammenhang stehen.
Als Maßnahme folgen:
- Querschnitt der Stromschleife verringern.
- Das Metallsystem im Erregerbereich verbreitern.
Das Metallsystem besitzt viele Variationsmöglichkeiten. Dabei hilft das Modell vom
magnetischen Nichtleiter weiter. Mit magnetischen Nichtleitern lassen sich
magnetische Feldlinien formen. Durch Verändern einer Metallfläche können
Feldstärke und Flussdichte und damit natürlich auch die induzierte
Erregerspannung beeinflusst werden. Stromschleifen können je nach
Strukturierung des Metallsystems ab 10 mm² Anteile im Fernfeld erzeugen.
3. Das Verändern der Antennenstruktur ist ebenfalls möglich, bringt aber wenig
sicheren Erfolg.
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5. HF-Messungen
5.1. HF-Messungen bei kleinsten Strukturen
Das Ausmessen der HF-Magnetfelder oder E-Felder auf der Baugruppe mit Hilfe
von Nahfeldsonden bringt wichtige Erkenntnisse über die herrschenden elektromagnetischen Verhältnisse auf der Baugruppe. Für die Suche nach den HFQuellen einer Störung und der optimalen Gestaltung der notwendigen Gegenmaßnahmen in diesen beschriebenen kleinräumigen Strukturen sind, die mit den
großflächigen Messsonden gewonnenen Informationen, oft nicht ausreichend. Mit
diesen Sonden werden zu den interessierenden HF-Feldern eines Pins, einer
Leitung oder eines Bauteils auch die Felder der benachbarten Pins, Leitungen
oder Bauteile gemessen. Je größer der Entwickler einen solchen Fehleranteil in
seinen Messungen zuläßt, umso schwieriger wird eine Analyse und umso weiter
trennt er sich von einen optimalen EMV-Design.
Damit selbst kleine HF-Ströme und HFSpannungen in mikroelektronischen
Baugruppen direkt gemessen werden
können, wird ein spezielles Set mit HFMesswandlern
zu
entwicklungsbegleitenden Messungen angeboten.
Mit dem HF-Stromwandler (HFI 02) und
dem HF-Spannungswandler (HFU 02)
ist es deutlich leichter für den Ingenieur,
die verantwortliche HF-Quelle für die
Emission der Baugruppe zu finden und
eine EMV-Optimierung vorzunehmen.
Die angewandte Messmethode mit den Wandlern ermöglicht, durch ihre hohe
Auflösung und des speziellen Messkontakts mit einer Tastspitze eine fehlerfreie
Bewertung der HF-Spannung im μm - Bereichen.
Messmethodik des HFU
Der HFU ist für HF-Spannungsmessungen an IC-Pins, z.B. von Microcontrollern,
an Quarzanschlüssen und auf metallischen Konstruktionsteilen konzipiert. Der
Spannungswandler wird mit dem GND des Prüflings verbunden. Über den Kontakt
der Tastspitze mit den interessierenden Pin nimmt der Entwickler die
Spannungsdifferenz zwischen IC-Pin und GND des Prüflings ab. Durch die
geringe Koppelkapazität des Wandlers wird die Beeinflussung des Prüflings über
die Tastspitze minimiert. Der Wandler koppelt die Eingangsspannung mit einem
Übersetzungsverhältnis 5:1 auf den 50  SMB - Ausgang. Über ein geschirmtes
Kabel werden die Messwerte an einen Spektrumanalysator oder Oszillografen
übertragen.
Die Tastspitze mit dem Verbindungskabel zum Wandler arbeitet in einen solchen
Messaufbau bis ca. 250 MHz. Bei höheren Frequenzen wird der HFU mit CuLDraht kurz angeschlossen.
Je nach Einsatzfall stehen verschiedene Typen von Spannungswandler für einen
Frequenzbereich von 150 kHz bis 3 GHz zur Verfügung.
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Der HFU 02 vom Type A besitzt eine
Koppelkapazität von ca. 20 pF. Er empfiehlt
sich besonders für Messungen an OszillatorPins bzw. anderen hochohmigen Signalen.
Dieser Typ wird aufgrund seiner Empfindlichkeit besonders bei den Messungen an
Baugruppen der Automobilindustrie eingesetzt.
Die Koppelkapazität von ca. 3 nF ermöglicht
mit den Typ B stabile Messungen im unteren
Frequenzbereich ab 150 kHz.
Die entscheidenden Vorteile des HFU 02 für den Hardware-Entwickler sind:
- die genaue und schnelle Messung
Der Entwickler ist in der Lage, HF-Spannungen auf einzelnen Pins eines Microkontrollers oder einzelnen Leitungen aus einem dichten Bündel von Leiterzügen
auf der Platine zu bewerten.
- die geringe Rückwirkung auf den Prüfling
Mit dem HFU 02 können selbst die empfindlichen Quarzanschlüsse kontrolliert
werden, ohne dass das Quarzsignal selbst gestört wird.
- das Messen von geringen HF-Spannungen
Selbst geringste HF-Spannungen mit geringen Pegeln können erfolgreich unter
dem Einfluss benachbarter Felder gemessen und bewertet werden.
5.2. HF-Messung auf Datenleitungen
Problematisch stellt sich die optimale Gestaltung von Signalleitungen zwischen
Baugruppen dar – insbesondere dann, wenn die Datenraten im Mbit-Bereich
liegen. Ein typisches Beispiel ist die Ansteuerung eines Grafikdisplays. Die
Aufgabe für den Entwickler besteht darin, so wenig wie möglich Schirmungsmaterial bei der EMV-Optimierung einzusetzen. Das ist nur durch optimale
Dimensionierung von Filtern auf Datenleitungen möglich. Unsere praktischen
Erfahrungen bei einer Dimensionierung der Filter auf einer Datenleitung ab einer
10 Mbit Datenrate zeigen, dass nur mit einer genauen Messung die notwendigen
EMV-Schirmmaterialien deutlich reduziert werden können. Für die dazu notwendigen Messungen empfiehlt sich der HF-Stromwandler HFI 02.
Messmethodik HFI 02
Zur Messung wird ein kleiner Blechwinkel (Zubehör) auf der Prüflingsmasse
befestigt und der HF-Stromwandler aufgesteckt. Die zu beurteilende Datenleitung
wird über einen maximal 0,45 mm starken CuL-Draht durch den Wandler geführt.
Der Wandler transformiert die Spannung auf den 50  SMB - Ausgang. Über ein
geschirmtes Kabel werden die Messergebnisse an einen Spektrumanalysator oder
Oszillografen übertragen. Jetzt kann die Dimensionierung des Filters beginnen.
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Der Wandler arbeitet im Messbereich von
100 kHz bis 3 GHz. Zur Vermeidung von
Messfehlern ist in den Wandler eine
spezielle Mantelstromdämpfung integriert.
Der wohl entscheidende Vorteil beim
Einsatz eines HF-Stromwandlers ist die
Reduzierung von Schirmungsmaterialien
insbesondere bei Produkten, die in großen
Stückzahlen gefertigt werden.
Der Einsatz von Messwandlern beginnt auf
dem Board mit kleinen Strukturen und
geringen HF-Strömen. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung werden HF-Stromund HF-Spannungswandler immer mehr für die EMV-Designgestaltung an
Bedeutung gewinnen. Ihre geringen Anschaffungskosten und die variablen
Einsatzmöglichkeiten versprechen eine schnelle Akzeptanz in den Entwicklungswerkstätten.
Nahfeldsonden für Messungen von 30 MHz bis 6 GHz.
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Analysesonden mit einer max. Auflösung von 100µm und Frequenz bis
6GHz.
Kontakt
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Fon / Fax: 0351-430093-0 / 22
Mail: [email protected]
www.langer-emv.de
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