Pre-Compliance-Messungen Mit dem EMV-Nahfeldscanner werden Signalemissionen sichtbar

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Die EMV-Fehlersuche ist komplex und zeitaufwendig. Zu spät erkannte Anomalien können ein teures Redesign nach sich ziehen. Schneller und einfacher geht es mit einem Nahfeldscanner. Dieser lokalisiert effizient Störquellen auf Leiterplatten oder anderen elektronischen Bauteilen.

Entwicklungsingenieure stehen unter großem Zeitdruck. Verzögerungen bei der Markteinführung führen zu höheren Kosten und können die Wettbewerbsposition schwächen. In der Praxis bestehen viele elektronische Produkte die formale EMV-Konformitätsprüfung erst nach mehreren Anläufen. Die nachträgliche Fehlersuche und Optimierung verursacht hohe Kosten und verzögert die Markteinführung. Eine frühzeitige Integration von EMV-Tests in den Entwicklungsprozess hilft, potenzielle Störfaktoren frühzeitig zu erkennen und zu beheben. Dies reduziert das Risiko teurer Designanpassungen und erhöht die Wahrscheinlichkeit, die formale EMV-Prüfung im ersten Anlauf zu bestehen.

EMV in der Halbleitertechnik

Mit der zunehmenden Nutzung von Wide-Bandgap-Halbleitern steigen die Anforderungen an das EMV-Design. Hohe Schaltgeschwindigkeiten und hohe Betriebsspannungen begünstigen elektromagnetische Störungen (EMI), die sowohl leitungsgebunden als auch abgestrahlt auftreten können. Daher stellt sich für Entwickler die Frage: Wie lassen sich Störquellen und Kopplungsmechanismen effektiv identifizieren und lokalisieren? Und wie können Designänderungen an der Elektronik unmittelbar auf ihre Wirksamkeit bezüglich der Signalemissionen bewertet werden?

Elektromagnetische Störaussendungen (EMI) beeinträchtigen die Funktionalität anderer elektronischer Geräte. Um die EMI-Emissionen effizient zu minimieren, müssen Störquellen auf Bauteilebene identifiziert und gezielt eliminiert werden. Nahfeldsonden (H- und E-Feld-Sonden) ermöglichen detaillierte Messungen und liefern wertvolle Informationen zur Optimierung des Designs. Pre-Compliance-Tests dienen dazu, EMV-Probleme bereits in der Entwicklungsphase aufzudecken. Sie verringern das Risiko kostspieliger Redesigns und helfen, Verzögerungen zu vermeiden. Durch regelmäßige Messungen lassen sich Signalemissionen detailliert analysieren und gezielt korrigieren.

Der abschließende EMV-Konformitätstest erfolgt in der Regel von zertifizierten Prüflaboren. Kann allerdings in einigen Fällen auch vom Hersteller selbst übernommen werden. Konformitätstests müssen die strengen Vorgaben und präzisen Verfahrensweisen der EMV-Normen erfüllen. Da das eine spezielle Ausrüstung sowie Absorberkammern und qualifiziertes Personal erfordert, sind Konformitätstest mit hohen Kosten verbunden.

EMV-Messtechnik: Der EMV-Scanner SCN-500

Der EMV-Scanner SCN-500 von Pendulum ist ein leistungsfähiges Pre-Compliance-Tool zur Analyse elektromagnetischer Störungen. Er identifiziert Emissionsquellen und ermöglicht den Vergleich verschiedener Designlösungen durch wiederholte Messungen. Der Scanner verfügt über ein XYZ-Positioniersystem und erlaubt 2D-, 3D- und 4D-Emissionsanalysen. Elektromagnetische Hotspots werden durch eine farbige Kartendarstellung sichtbar gemacht, wodurch gezielte Optimierungsmaßnahmen erleichtert werden.

Die Komponenten eines EMV-Messsystems sind:

• EMV-Scanner SCN-500 mit auswählbarem Sondensatz,

• PC mit Scanner-Software,

• Spektrumanalysator, abgestimmt auf den Frequenzbereich der Signalemissionen und

• optional: Vorverstärker für sehr kleine Störsignale.

Die Scanner-Software unterstützt verschiedene kompatible Spektrumanalysatoren. Darunter beispielsweise die Serie FPL1000 von Rohde & Schwarz. Die hohe Abtastpräzision in 0,1-mm-Schritten ermöglicht detaillierte Messungen auf drei unterschiedlich großen Arbeitsbereichen bis zu 600 mm x 400 mm x 300 mm. Die maximale Dimension des Prüflings ist demnach durch den mechanischen Aufbau des Scanners limitiert, er kann jedoch in y-Richtung verschoben werden. Alle Modelle können jeweils mit 3-, 6- oder 10-GHz-Sonden verwendet werden. Die mitgelieferten Sonden decken vielfältige Applikationen ab. Sie detektieren H- und E-Felder und sind sowohl für niederfrequente als auch für hochfrequente Störer geeignet, die senkrecht vom Prüfling abgestrahlt werden oder seitlich austreten, zum Beispiel an Kabel- oder Gehäuseübergängen.

Die Vorteile der 3D-Messung

Bei der zweidimensionalen Messung mit dem EMV-Scanner bewegt sich die Nahfeldsonde in einem definierten, festen Abstand über oder unter dem Prüfling. Der 2D-Scan empfiehlt sich daher nur bei Objekten mit sehr geringen Höhendifferenzen. Die 3D-Messung berücksichtigt dagegen die Oberflächenform des Prüflings und scannt diesen mit konstantem Abstand zu den jeweiligen Messpunkten ab. Kleine Komponenten werden so genauer erfasst, selbst wenn sie von großen Bauteilen wie Kondensatoren oder Kühlkörpern umgeben sind.

Die 4D-Modellvarianten des SCN-Scanners sind zusätzlich mit einer Rotationsfunktion für die Nahfeldsonde ausgestattet. Während der Messung wird mittels Drehung der Sonde die Position mit der stärksten Signalerfassung ermittelt und die zugehörige Amplitude abgespeichert. Dieser Vorgang wiederholt sich in jeder Messposition. Unterschiedliche Empfindlichkeiten der Sonde aufgrund verschiedener Messwinkel können so ausgeschlossen werden, was die Messung an Kabeln und insbesondere an Schirmgehäusen vereinfacht.

Auf Störfestigkeit testen

Der Test der EMV-Konformität enthält auch die Störfestigkeit (EMS, Electromagnetic Susceptibility) gegenüber externen Einflüssen. So wird gewährleistet, dass ein Gerät in einer typischen, elektromagnetischen Umgebung ordnungsgemäß funktioniert. Zur Bewertung der Störfestigkeit bietet der Scanner SCN-500 eine Immunitäts-Softwareoption. Für den Messaufbau notwendig sind ein Signalgenerator, eine Antenne (hier: Nahfeldsonde) und ein Error Detection Device (EDD), das die Ausfälle des Prüflings detektiert. Das kann ein Multimeter sein oder um ein anderes Gerät mit einer Kommunikationsschnittstelle zur Software. Der PC steuert den Generator und Scanner und bekommt über das EDD die Ausfall-Rückmeldung.

Die grafische Darstellung der Ergebnisse ermöglicht eine einfache Interpretation und Reproduzierbarkeit der Messungen. Durch gezielte Variation von Frequenz und Amplitude lassen sich die kritischen Störpegel bestimmen. Während des Messvorgangs bewegt der Scanner die Antenne in vorgegebenen Positionen über das Testobjekt. In jeder Messposition wobbelt der Signalgenerator in Frequenz und Amplitude, während das EDD den Ausfall des Prüfobjekts erfasst.

Messungen mit dem EMV-Scanner

Für die Messung mit dem EMV-Scanner müssen Parameter wie Frequenzbereich, Auflösungsbandbreite oder die Anzahl der Sweeps pro Messpunkt am Spektrumanalysator festgelegt werden. Der Frequenzbereich bestimmt zudem die Auswahl der Nahfeldsonde. Mit steigender Sweep-Anzahl erweitert sich die Möglichkeit, auch sporadische Signalstörungen zu erfassen. Das verlängert die Messzeit. Der Spektrumanalysator lässt sich vollständig über die Software konfigurieren. Diese bietet auch vordefinierte Messbereiche, die individuell angepasst werden können.

Für eine 2D-Messung müssen die Position des Prüflings auf dem Scanner sowie die Messhöhe definiert werden. Es ist hilfreich, ein Foto des Bauteils zu importieren, was später auch die Zuordnung der Emissionsquellen erleichtert. Da ein Foto nie verzerrungsfrei vorliegt, ist eine softwareseitige Korrektur erforderlich, indem zunächst vier definierte Punkte mit der Sonde vermessen werden. Bei Prüfobjekten mit unterschiedlichen Bauteilhöhen ist es möglich, mehrere Messbereiche mit jeweils unterschiedlichen Scan-Abständen festzulegen.

Für die 3D-Messung kann eine vorhandene STL-Datei importiert werden. Damit die Software die Sondenposition im Raum erkennt, müssen in einem manuellen Vorgang zunächst verschiedene Messpunkte angefahren werden. Für den Scan wird anschließend der gewünschte Abstand zur Oberfläche des Prüflings angegeben. Der optional verfügbare Laser-Abstandsmesser vereinfacht das Setup, indem automatisch ein 3D-Modell des Prüflings erstellt wird – ohne CAD-Daten und ohne die manuelle Positionierung des Scanners. Dies spart Zeit und erhöht die Zuverlässigkeit der Messung.

Interpretation der Messergebnisse

Für die Visualisierung und Interpretation der Messungen sind die Ergebnisse und das Foto des Prüflings zu laden. Beim 2D-Scan ergibt sich der HF-Pegel der Signalemissionen aus dem dargestellten Farbverlauf sowie der Höhe des Messergebnisses. Beim 3D-Scan wird die Messung als Hüllkurve über das 3D-Objekt gelegt. Die Höhe der Hüllkurve entspricht dem Scan-Abstand. Die HF-Pegeldifferenz wird als Farbverlauf visualisiert.

Die Messergebnisse werden zusätzlich in einem Spektrum angezeigt: Das Max-Hold-Spektrum (Bild links) bildet die Maximalamplituden über der gesamte Messfläche ab und macht die emittierten Frequenzen sichtbar. Eine weitere Ansicht (im Bild rechts) stellt das Frequenzspektrum an einem ausgewählten Messpunkt auf dem Prüfobjekt dar. Dieser wird in der grafischen Darstellung mit einem Kreuz markiert.

Die frühzeitige Identifikation und Behebung von EMV-Problemen reduziert Kosten und Entwicklungszeit. Pre-Compliance-Tests mit Nahfeldscannern wie dem SCN-500 von Pendulum bieten eine effiziente Möglichkeit zur Störquellenanalyse und Designoptimierung. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, den formellen EMV-Konformitätstest im ersten Anlauf zu bestehen und verkürzt die Time-to-Market erheblich. (heh)

Elektromagnetische Verträglichkeit

Die Anforderungen an die EMV-Konformität meistern!

Design-Tipp

EMV-Konformität meistern! Störquellen – Teil 1

* Frank Heller ist Business Development Manager bei dataTec in Reutlingen.

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