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EMV Punktgenaue Puls-Störfestigkeits-Analyse ermittelt sehr empfindliche Schaltungsteile

Autor / Redakteur: Lars Gläßer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Sollen lokale Störgrößen entkoppelt werden, werden E- oder B-Feldquellen eingesetzt. Ihre Selektivität ist allerdings nicht ausreichend. Mit einem speziellen Störgenerator lassen sich steilflankige Störimpulse in einem Prüfling einkoppeln.

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Mögliche Koppelmechanismen: Beim Einkoppeln mit der ESD-Pistole in die Baugruppe werden zwei Koppelmechanismen unterschieden
Mögliche Koppelmechanismen: Beim Einkoppeln mit der ESD-Pistole in die Baugruppe werden zwei Koppelmechanismen unterschieden

Die Fehlersuche in modernen Schaltungen gestaltet sich zunehmend schwierig. Neben der gestiegenen Komplexität und damit stark erhöhter Anzahl möglicher Fehlerquellen, stellen die geringeren mechanischen Abmessungen den Entwickler vor immer größere Schwierigkeiten, gerade wenn es um die Eingrenzung der Fehler geht.

Dazu ein Beispiel aus der Praxis: Gegenstand der Untersuchung war das Bedienteil eines neuen Störgenerators zur Störfestigkeitsuntersuchung. Neben einem LC-Display samt Controller enthält die Leiterkarte einen µC Typ 142Pin TQFP, einen FPGA Typ 100Pin TQFP, Schnittstellenbausteine, passive Bauelemente (SMD 0603) sowie diverse Bedienelemente wie Impulsdrehgeber, Taster oder Schalter.

Zusätzlich befinden sich USB-Buchsen, Anschlüsse für die später erzeugte Generatorspannung sowie die Eingänge für die Stromversorgung auf dem Board. Aus Kostengründen wurde die Leiterkarte im 2-Lagen System mit Strukturgrößen von 200 µm ausgeführt. Es gibt keinen durchgehenden GND-Layer. Die Busse/Leitungen sind auf beiden Ebenen verlegt. Die räumliche Nähe des Bedienteils zum Generatorteil ergibt dabei hohe Anforderungen an die Störfestigkeit.

ESD-Test nach DIN EN 61000-4-2

Mögliche Koppelmechanismen: Beim Einkoppeln mit der ESD-Pistole in die Baugruppe werden zwei Koppelmechanismen unterschieden
Mögliche Koppelmechanismen: Beim Einkoppeln mit der ESD-Pistole in die Baugruppe werden zwei Koppelmechanismen unterschieden
Beim ersten ESD-Test nach DIN EN 61000-4-2 kam es zu Fehlfunktionen. Nach Einkopplung von Störimpulsen (Kontaktentladung) in das GND-System der Platine stürzte der Mikrocontroller ab. Es kam zum Ausfall des Heartbeat-Signals und das Display fror ein. Diese Störung trat je nach Position der ESD–Pistole (Einkoppelpunkt und Stellwinkel) bei unterschiedlichen Spannungen von 2,4 bis 4 kV auf. Die Störschwelle war deutlich zu erhöhen.

Wie bereits in [1] gezeigt, treten zwei mögliche Koppelmechanismen der Störgrößen in kritischen Bereichen der Schaltung auf: Magnetische Einkopplung und elektrische Einkopplung. Beim Einkoppeln mit der ESD-Pistole in die Baugruppe muss diese unterscheiden. Bei der magnetischen Einkopplung fließen Störströme durch das Board und erzeugen dabei Magnetfelder. Diese können in Leiterschleifen Spannungen induzieren. Das kann auf zwei Wegen zu Problemen führen:

  • Einerseits kann die induzierte Spannung vom Schaltkreiseingang als logisches Signal behandelt werden oder
  • sie treibt einen Störstrom, welcher Probleme in anderen Schaltungsteilen hervorruft.

Auftretende Störungen durch elektrische Einkopplung

Hinzu kommen Störungen durch elektrische Einkopplung. Dabei koppeln elektrische Felder kapazitiv in die Leitungsnetze oder auch Bauelemente des Boards ein. Der dabei entstehende Verschiebestrom kann das System wieder auf zwei Wegen beeinflussen: Zum einen führt der Verschiebestrom an einem Widerstand gegen Vss oder Vdd zu einem Spannungsabfall, welcher wieder als logisches Signal erkannt wird oder er induziert Spannungen in anderen Schaltungsteilen, ähnlich der magnetischen Einkopplung.

Für die genauere Eingrenzung empfindlicher Baugruppenteile ist es erforderlich, gezielt einzelne Leitungen, beispielsweise in Bussystemen, deren Vias oder einzelne IC Pins mit Störgrößen zu beaufschlagen. Aufgrund der erwähnten hohen Integration von Schaltungen und Strukturgrößen im µm-Bereich wachsen die Anforderungen an die mechanische Auflösung einer Störquelle.

Jeden Pin einzeln mit einer Störgröße beaufschlagen

Da die Fehlfunktion und Störschwelle bekannt waren, musste ein geeigneter Weg gefunden werden, die Störfestigkeit zu erhöhen. Mit einem Normtest konnte der Fehler auf den Controller eingekreist werden.

Welche(r) Pin(s) für den Absturz verantwortlich war(en) musste noch ermittelt werden. Das ist in diesem Fall notwendig, da die entsprechenden Gegenmaßnahmen wie Verblockung der IC-Pins oder Vergraben der empfindlichen Leitungen sonst nicht effektiv durchführbar gewesen wären.

Um die empfindlichen Leitungen/IC-Pins zu ermitteln, muss jeder Pin einzeln mit einer ESD-ähnlichen Störgröße beaufschlagt werden. Der erneute Einsatz der ESD-Pistole schied aus mehreren Gründen aus:

  • Die Impulse sind zu stark für einzelne IC-Pins – der Schaltkreis kann leicht zerstört werden.
  • Die Feldemission der ESD-Pistole kann andere Schaltungsteile beeinflussen und eine gezielte Fehlersuche dadurch erheblich erschweren.
  • Durch die mechanischen Abmessungen ist es nahezu unmöglich, einen einzelnen IC-Pin zu kontaktieren, ohne mit den Nachbarpins einen Kurzschluss zu erzeugen.
  • Aufgrund der Leitungsdichte ist das GND-System um den Schaltkreis nur schlecht zugänglich, was das Anschließen des Bezugsleiters erschwert.

Die Störgrößen lokal einkoppeln

Prüfanordnung: Der Pulser erzeugt steilkantige Störimpulse mit 1,2 kV, die über eine interne Kapazität von 10 pF in den Prüfling eingekoppelt werden können
Prüfanordnung: Der Pulser erzeugt steilkantige Störimpulse mit 1,2 kV, die über eine interne Kapazität von 10 pF in den Prüfling eingekoppelt werden können
Zur lokalen Einkopplung von Störgrößen werden häufig E- oder B-Feldquellen verwendet. Deren Selektivität war jedoch im vorliegenden Fall nicht ausreichend. Eine weitere Verkleinerung der Feldquellen erscheint jedoch nicht sinnvoll: Die Koppelkapazität zwischen der Elektrode der E Feldquelle und der entsprechenden Leiterplattenstruktur/Bauteilgehäuse würde entscheidend verkleinert, so dass der resultierende Störimpuls nicht ausreicht, um den bereits beobachteten Fehler zu reproduzieren.

Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein neuer Störgenerator entwickelt. Mit ihm lassen sich steilflankige Störimpulse mit 1,2 kV und einer Anstiegszeit von 1,8 ns erzeugen, welche über eine interne Kapazität von 10 pF in den Prüfling eingekoppelt werden können. Polarität und Intensität sind verstellbar. Zur Kontaktierung wird eine austauschbare Nadelelektrode verwendet.

Auf der nächsten Seite: Die 4 Vorteile des Prinzips mit dem neuen Störgenerator

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