Sensormodule für sicherheitskritische Kfz-Anwendungen

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Simulation des Übersprechens zwischen benachbarten Kabeln

Die Störfestigkeit wird mit verschiedenen EMV-Testverfahren gemessen. Eine übliche Methode für Automotive-Sensormodule bezüglich der Immunität gegenüber kontinuierlich einwirkender Hf-Energie ist der BCI-Test (Bulk Current Injection), der im Frequenzbereich von 1 bis 400 MHz angewendet wird. Dieser Test soll Hf-Übersprechen zwischen benachbarten Kabeln verschiedener elektrischer Subsysteme in einem Fahrzeug simulieren.

Parasitäre elektrische Parameter sind zu berücksichtigen

Um die hohen EMV-Anforderungen in der rauen Automotive-Umgebung zu erfüllen, müssen alle relevanten parasitären elektrischen Parameter, speziell Koppelkapazitäten zwischen der Sensorelektronik und anderen leitfähigen Teilen des Sensormoduls wie in Bild 3 dargestellt berücksichtigt werden. Es gibt eine Reihe verschiedener Konfigurationen, die beim Aufbau des Moduls und seiner Platzierung im Fahrzeug möglich sind (Tabelle in Bild 4).

Das Gehäuse und der Druckstutzen (Pressure Supply Adaptor, PSA) können beide aus Plastik oder Metall sein. Ferner können beide einen galvanischen Kontakt zum Fahrzeug-Chassis haben oder nicht.

Maximale und minimale parasitäre Impedanzen

Die Konfigurationen 1 und 10 in der Tabelle repräsentieren die Extrema bezüglich der äquivalenten Hf-Ersatzschaltung beim BCI-Test. Bei der Konfiguration 1 sind alle parasitären Impedanzen maximal; bei der Konfiguration 10 sind sie minimal oder kurzgeschlossen.

Parasitäre Impedanzen bestimmen den induzierten Strom

Die erste Überlegung betrifft die elektromagnetische Kopplung zwischen der BCI-Antenne und dem Kabel. Falls die Frequenz des Hf-Stromes I_RF im Bereich der Resonanzfrequenz des Kabelsegments liegt, welches zwischen der die Hf-Energie abstrahlenden BCI-Antenne und dem Sensormodul liegt, ist der induzierte Strom I_{RF_sink} maximal. Sein Wert wird durch die parasitären Impedanzen bestimmt, speziell durch Z_{C_GND}, bei steigendem I_{RF_sink} wird sein Einfluss auf das Sensormodul stärker.

Extremfall Metallgehäuse und Metall-PSA

Der ungünstigste Fall ist Konfiguration 10, weil hier Z_{C_GND} = 0 Ω (galvanischer Kontakt zwischen Gehäuse und Fahrzeugchassis) und Z_{PSA_C} = 0 Ω (galvanischer Kontakt zwischen PSA und Gehäuse). In diesem Fall ist I_{RF_sink} durch die Impedanz der parasitären Kapazitäten der Signalpfade U₊, U_out und U_- auf der Trägerplatine im Sensormodul relativ zum Gehäuse sowie der Sensorbrücke relativ zum PSA begrenzt. Doch es gibt zusätzliche parasitäre Impedanzen, z.B. die der internen Signalpfade relativ zum Chassis, die ebenfalls die Störfestigkeit des Sensormoduls mindern könnten.

Ein Rechenbeispiel:

Typ. zulässige Toleranz des ratiometrischen Ausgangssignals: ±40 mV (±1% FSO)

Effektive Verstärkung des SSC: G = 400

DC-Brückenwiderstand: 4 kΩ

Resultierende AC-Brückenimpedanz an den differentiellen Anschlüssen: 2 kΩ

Grenzwert der durch Hf-Energie verursachte Änderung der differentiellen Brückenspannung: (±40 mV/G) = ±0,1 mV

Resultierender Grenzwert der Differenz zwischen den Teilströmen der Brücke: ±0,1 mV/2 kΩ = ±50 nA!

Dieses stark vereinfachte Beispiel veranschaulicht den Einfluss der mechanischen Konstruktion und der gewählten Materialien auf das EMV-Verhalten des Sensormoduls. Eine noch größere Herausforderung besteht in der Definition von parasitären elektrischen Parametern unter Serienfertigungsbedingungen bei hohen Automotive-Stückzahlen unter Berücksichtigung der Kosten.