Sensormodule für sicherheitskritische Kfz-Anwendungen

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Effizientes Konzept mit nicht leitendem Modulgehäuse

Ein effizientes Designkonzept basiert auf der Auswahl nichtleitender Materialien für das Modulgehäuse und den Druckstutzen (Tabelle, Konfiguration 1). Dies gewährleistet maximale Werte für Z_{PSA_C} und Z_{C_GND}. Während des Leiterplattenlayouts lässt sich leicht sicherstellen, dass die parasitären Kapazitäten von C_{U+_C}, C_{UOUT_C} und C_{U-_C}, bezogen auf GND, fast gleich sind, damit sich die eintreffende Hf-Energie wie ein Gleichtaktsignal für das Sensormodul verhält. Mit anderen Worten: bei Stand-Alone-Sensormodulen ist kein Hf-GND-Potenzial verfügbar, das die Abblockung dieser Hf-Energie z.B. mit Kondensatoren ermöglichen würde. Zudem sind Kondensatoren keine idealen Bauteile – insbesondere ihre unvermeidliche, konstruktiv bedingte Serieninduktivität ESL bestimmt die Frequenzgrenze, bei der ein Kondensator beginnt, sich wie eine Induktivität zu verhalten. Typischerweise haben im 0805-Gehäuse untergebrachte MLCC-X8R-Kondensatoren ein ESL von 1 bis 1,5 nH. Nur durch eine hohe Gleichtaktunterdrückung (CMRR) der Sensorelektronik ist eine hohe Immunität gegen Hf-Energie mit f>200 MHz erreichbar.

Falls für das Modulgehäuse und den Druckstutzen leitfähiges Material erforderlich ist, sind die resultierenden parasitären Impedanzen niedriger und der induzierte Hf-Strom höher. Wegen der mechanischen Toleranzen der verschiedenen Modul-Bestandteile (Gehäuse, Leiterplatte, Druckstutzen) ist es sehr schwierig, diese parasitären Impedanzen unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Kostenvorgaben im Umfeld einer High-Volume-Automotive-Produktion reproduzierbar zu fertigen.

Aufwändige elektrische Verbindung zum Metallgehäuse

Eine Lösung ist der Einsatz eines Kondensators zwischen Gehäuse (Hf-GND) und Sensorelektronik-GND, um einen definierten Pfad für den Hf-Strom nach Hf-GND zu schaffen. Der große Nachteil dieser Lösung ist, dass eine robuste und langfristig stabile elektrische Verbindung zum Metallgehäuse (z.B. aus Aluminium) zu schaffen ist. Dies jedoch treibt die Kosten signifikant in die Höhe. Zudem muss dieser Case-to-GND-Kondensator ratiometrisch für hohe Spannungen (z.B. 500 oder 1000 V) spezifiziert sein. Dies erfordert größere Gehäuse oder die Serienschaltung mehrerer Kondensatoren und verursacht ebenfalls höhere Kosten. Die erwähnte ESL und die resultierende Begrenzung des effektiven Frequenzbereichs sind ebenfalls zu berücksichtigen. Alles in allem verursacht dieses Konzept zusätzliche Kosten und einen höheren konstruktiven Aufwand, über die Lebensdauer können noch Zuverlässigkeitsprobleme hinzukommen.

Die Alternative ist ein Hf-optimiertes Moduldesign, das eine hohe Hf-Symmetrie und identische Impedanzen für Hf-Energie, welche über das elektrisch nicht verbundene Metallgehäuse eingekoppelt wird, zum Ziel hat. Damit wirkt diese Hf-Energie wie ein Gleichtaktsignal für die Sensorelektronik. Die erforderliche ESD-Robustheit im Falle einer direkten Entladung auf das Metallgehäuse (typische Anforderung: ±15 kV, bezogen auf das GND-Potential der Sensorelektronik) kann z.B. durch Verguss der Sensorelektronik im Modul oder durch andere geeignete Isolationsmaßnahmen zum Metallgehäuse erreicht werden. Bild 3 unten zeigt die Hf-Ersatzschaltung für die auf dem BCI-Test basierte Konfiguration 10 (ohne Case-to-GND-Kondensator).

Mit den in Bild 3 unten gezeigten drei bis fünf externen Kondensatoren lässt sich ein einwandfreies EMV-Verhalten mit Konfiguration 10 erzielen. Bei Konfiguration 1 sind lediglich C1, C2 und C5 erforderlich, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen. Die Kondensatoren C1 und C2 müssen so nahe wie möglich an den Anschlüssen des Kabels platziert werden. Sie tragen dann auch dazu bei, ESD-Festigkeiten an den Anschluss-Pins des Sensormoduls >4 kV ohne zusätzliche diskrete Bauteile wie etwa Dioden erreichen zu können.

Die Verbindungen auf der Leiterplatte zu den SSC-IC-Pins sollten möglichst identische Maße (d.h. Impedanzen) haben. Es wird dringend empfohlen, die möglichst identischen Längen aller Verbindungen auf der Leiterplatte zwischen Sensorelement und SSC-IC-Eingang zu minimieren. C5 (und falls erforderlich C3 sowie C4) muss möglichst nahe an den SSC-IC-Pins platziert werden. Alle diese Empfehlungen tragen zur Optimierung des PCB-Layouts im Hinblick auf das Hf-Gleichtaktverhalten bei.

* * Torsten Herz ist FAE-Manager bei ZMDI in Dresden.

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