gesponsertEthernet-Vernetzung EMV: Gigabit-Ethernet effektiv entstören – Teil 1

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Gigabit-Ethernet hat sich als Vernetzungsstandard weitgehend durchgesetzt. Allerdings gibt es bislang wenig fundierte Informationen zur Leistungsfähigkeit der Schnittstelle in Abhängigkeit vom EMV-Verhalten. Diese Artikelserie beleuchtet dies anhand eines neuen Referenzdesigns.

Beim Design einer Ethernet-Schnittstelle kommen oftmals Fragen zum Schirmanschluss des Kabels und dem Design des Front Ends auf, insbesondere im Hinblick auf die Masseverbindungen. Bei Recherchen im Internet lassen sich verschiedene Vorschläge zum Schirmanschluss finden. Besonders populär ist ein 1-nF-Y Kondensator. Die Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Schnittstelle und das EMV-Verhalten geht aus den gefundenen Veröffentlichungen jedoch nicht hervor.

Diese dreiteilige Artikelserie beleuchtet das EMV-Verhalten der Ethernet-Schnittstelle bei verschiedenen Schirmanschlüssen und Konfigurationen, und es werden Designempfehlungen auf Basis von Hardwaretests gegeben.

GBit-Ethernet-Referenzdesigns als Testanwendung

Würth Elektronik hat für die EMV-Analyse zwei Varianten von Referenzdesigns entwickelt und realisiert. Beide umfassen zwei Schnittstellen, eine USB-Type-C (USB 3.1) und eine 1-Gigabit-RJ45-Ethernet-Schnittstelle. Dieser GBit-Ethernet-USB-Adapter basiert auf dem Evaluation Board EVB-LAN7800LC des Halbleiterherstellers Microchip.

Die Schaltung ist auf einer vierlagigen Leiterplatte aufgebaut und wird im vorliegenden Design über die USB Schnittstelle mit Spannung versorgt. Das Board liegt in zwei verschiedenen Varianten vor, diskret und integriert aufgebaut. Eine detaillierte Beschreibung der beiden Designs ist in der Reference Design Note RD016 [1] zu finden.

Diskreter Aufbau: Der prinzipielle Aufbau des Ethernet-Front-Ends ist in Bild 1 dargestellt. Eine Ethernet-Schnittstelle umfasst dabei einen RJ45-Steckverbinder, das „Magnetics Module“ mit Übertrager und Gleichtaktdrossel und einen PHY-Chip (Physical Layer).

Bei der diskret aufgebauten Variante in Bild 2 (links) befinden sich Übertrager und Gleichtaktdrossel im Modul 749020310, der RJ-Steckverbinder (WR-MJ Modular Jack) enthält keine weiteren Schaltungskomponenten.

Integrierter Aufbau: Im integrierten Design sind die Schnittstellenkomponenten aus Bild 1 und dem diskreten Aufbau aus Bild 2 in der RJ45-Buchse integriert. Dadurch wird Platz auf der Platine eingespart, allerdings ist die Flexibilität im Design des Front-Ends beschränkt.

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Messung im Zeitbereich

Die Messung der Ethernet-Signale im Zeitbereich erfolgt mittels Oszilloskop und niederkapazitivem differenziellen Tastkopf, jeweils mit einer Bandbreite von mehr als 4 GHz.

Bei der Messung des Testsignals über mehrere „Jumbo­frames“ ergibt sich eine Datenübertragung von ca. einer Sekunde mit hoher Signalintensität und einer Signalübertragung mit geringerer Intensität in gleicher Länge. Reduziert man in der Prüfung die beobachtete Zeitspanne, so können die einzelnen übertragenen Codezustände gesehen werden. Eine Analyse des Leitungs-Codes ist zwischen Steckverbinder und Übertrager auf Seite des Kabels möglich.

Eine kurze Interpretation des PAM-5-Codes im Betrieb zeigt Bild 3. Eine Analyse der Anstiegszeit der Flanke in der Mitte des Diagramms in Bild 3 ergibt eine Anstiegszeit vom Zustand –0,5 bis zum Zustand 1 von 3 ns. Die FFT des Ethernet-Signals ergibt ein Spektrum mit Signalanteilen bis zu einer Frequenz von 500 bis 600 MHz. Das Signal fällt ab 100 MHz in seiner Amplitude deutlich ab, und es zeigt sich die Korrelation aus Anstiegszeit t_r und Abfall des Frequenzspektrums um 40 dB pro Dekade ab f = 1/(π * t_r).

EMV-Analyse des Referenzdesigns

Zusatzausrüstung zur Reduzierung externer Einflüsse: Die für den Betrieb des Prüflings (Referenzdesign) benötigte Zusatzausrüstung (Auxiliary Equipment – AE) kann während Störfestigkeitsprüfungen gestört werden. Auch eine Verfälschung der Ergebnisse bei der Störausendungsmessung ist möglich. Bei der Durchführung der EMV-Prüfungen sind einige störende Effekte aufgetreten, die für eine normativ aussagekräftige Messung beseitigt werden mussten. Diese Effekte und daraus resultierende Lösungen zur Beseitigung sind hier beschrieben.

Gestrahlte Störaussendungsprüfung in einem ersten Aufbau: Für einen ersten Überblick über das EMV-Verhalten wurde der Prüfling in einer Absorberhalle in Betrieb genommen und das gestrahlte Störspektrum gemessen. Bild 4 zeigt, dass das Störpotential des Aufbaus hoch ist. Es treten Störungen auf, die nicht vom Referenzdesign selbst stammen.

Die Analyse bei den ersten Messungen zeigte, dass zwei Störer von den für die Versuchsdurchführung benötigten Notebooks erzeugt und über angeschlossene Leitungen abgestrahlt wurden:

a) Abstrahlung bei 120 MHz durch schlechte USB Leitung: Der Leitungsschirm wird bei vorkonfektionierten USB Leitungen oftmals nicht ausreichend an den Schirmanschluss des Steckers angeschlossen. Je nach Qualität des Leitungsschirms und der Art des Schirmanschlusses ändert sich die Störaussendung des Versuchsaufbaus.

b): Abstrahlung bei 4 MHz, verursacht durch ein Notebook im Versuchsaufbau: Störung scheint vom Akkuladeregler oder einem anderen Spannungsregler erzeugt zu werden.

In den Umgebungsstörungen, die durch ungeeignete USB Leitungen oder die störenden Notebooks im Messaufbau abgestrahlt werden, gehen die geringeren Störungen des Referenzdesigns unter. Aus diesem Grund müssen die beiden oben festgestellten Punkte im Prüfaufbau berücksichtigt und entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung der Fremdstörer durchgeführt werden.

Reduktion der Störungen durch die Zusatzausrüstung: Zum Betrieb und der Analyse der Schnittstellendaten werden zwei Notebooks benötigt, diese Geräte müssen in einer Schirmbox betrieben werden, um die HF-Abstrahlung der Notebooks zu unterdrücken.

Mithilfe eines so genannten Kammgenerators, der ein kontinuierliches Linienspektrum mit einer Frequenzschrittweite von 20 MHz abstrahlt, wurde die Schirmdämpfung der Box geprüft. Die Schirmbox reduziert die Abstrahlung des Störers um bis zu 70 dB und eignet sich somit zur Reduzierung der Störaussendung der Notebooks.

Des Weiteren werden die Notebooks in der Schirmbox während Störfestigkeitsprüfungen durch die Beeinflussung von Prüfstörgrößen geschützt. Die mangelhafte Anbindung der USB-Leitungsschirme an die USB-Steckverbinder lässt sich mittels leitfähigem Schirmklebeband WE-TS verbessern.

Die geschilderten Maßnahmen reduzieren die Fremdstörungen deutlich, so dass die Analyse und ein Vergleich des EMV-Verhaltens der verschiedenen Prüflinge durchgeführt werden können.

Einwirkzeit von Störgrößen und Fehlerkriterien

Zur reproduzierbaren Durchführung der EMV-Prüfungen müssen zunächst folgende Punkte definiert werden:

• die Messzeit des Messempfängers während der Störaussendung,

• die Einwirkzeit von Störungen auf den Prüfling sowie

• die Kriterien zur Beurteilung der Prüflingsreaktion während der Störfestigkeitsprüfungen.

Einwirkzeit der Störgrößen und Messzeit der Störaussendungen: Um aussagekräftige Ergebnisse aus den EMV-Prüfungen zu erhalten, haben die Ingenieure in Waldenburg alle Betriebszustände eines Geräts analysiert. Wie bereits vorher erwähnt, ist die Datenübertragung auf den differenziellen Paaren eine Sekunde dichter und eine Sekunde weniger dicht.

Versuche haben außerdem gezeigt, dass die Störungen entsprechend dieser Periodizität in einem Zeitabstand von einer Sekunde abwechselnd höher und niedriger sind. Um beide Zustände zu messen bzw. zu prüfen, wurden alle Emissionsmessungen und Störfestigkeitsprüfungen mit einer Mess- oder Haltezeit von mindestens drei Sekunden durchgeführt.

Kriterien zur Bewertung der Störfestigkeit: Wie schon beschrieben, wurde der Prüfling mit zwei Notebooks betrieben. Ein Notebook steuert den Prüfling per USB-Schnittstelle an und sendet Daten zum USB-PHY.

Diese werden im Prüfling umgewandelt und von der Ethernet-Schnittstelle ausgesendet. An der Ethernet-Schnittstelle des Prüflings ist ein zweites Notebook im Einsatz, von dem aus eine Echosoftware die empfangenen Daten zurück zum Prüfling schickt. So können der Datenverlust, die Fehlerrate und die Datenrate der Schnittstelle überprüft werden. Diese Informationen können am ersten Notebook (USB-Schnittstelle des Prüflings) mittels einer Test-Software erfasst werden.

Hier fiel auf, dass die Datenrate massiv von äußeren Einflüssen der Zusatzausrüstung abhängt. Geht ein Notebook in den Energiesparmodus, so wird die Prozessortaktrate durch das Betriebssystem Windows reduziert, und die Schnittstellengeschwindigkeit sinkt entsprechend. Diese Geschwindigkeitsabnahme findet aber nicht aufgrund einer Beeinflussung durch Störungen statt, sondern durch ungeplante Software-Einflüsse. Teilweise fällt die Datenübertragung auch, wenn im Betriebssystem Daten umgespeichert werden. Diese Einflüsse gilt es bei der Bewertung der Störfestigkeit zu beachten, und gegebenenfalls müssen Betriebssystem-abhängige Einflüsse erneut geprüft werden.

Bedingt durch die im Ethernet-Protokoll genutzten Korrektur- und Steuerbits können im ungestörten Zustand bei maximaler Leistung der Notebooks circa 850 MBit/s übertragen werden. Es ergeben sich die folgenden Bewertungskriterien gemäß Tabelle 1.

Testaufbau für die EMV-Analyse

Aufgrund der zuvor beschriebenen EMV-Anforderungen an die benötigte Zusatzausrüstung ergibt sich der in Bild 5 aufgezeigte Prüfaufbau, bestehend aus zwei Notebooks in der Schirmbox, einer Ethernet-Leitung, einer USB-Leitung und dem Prüfling.

In den durchgeführten Messungen und Prüfungen liegt der Fokus auf der Ethernet-Schnittstelle. Deshalb wird bei den gestrahlten Prüfungen die USB-Leitung kurz gehalten, die Ethernet-Leitung hat eine Länge von einem Meter auf dem Prüftisch. Auch bei den anderen EMV-Prüfungen liegt der Fokus auf der Ethernet-Schnittstelle, die USB-Schnittstelle wurde somit nicht geprüft.

Die detaillierten Messergebnisse lesen Sie in den Teilen 2 und 3 dieser Artikelserie. 

Literatur

[1] Referenz-Design RD016 – Gigabit-Ethernet Front-End: https://www.we-online.com/RD016

[2] Application Note ANP116 –Gigabit-Ethernet-Schnittstelle unter EMV-Gesichtspunkten: https://www.we-online.com/ANP116

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