Pulsstörfestigkeit Störungen in Baugruppen besser vermeiden

Mikroprozessoren und Mikrocontroller sollen universell in verschiedene Applikationen eingebaut werden. Allerdings treten bei hoher Inte-gration Störfelder auf. Wir zeigen mögliche Fehlerquellen.

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In einer bekannten Umgebung ist es vergleichsweise einfach, die EMV für eine Schaltung zu erhöhen. Schwieriger wird es, wenn die Baugruppe möglichst universell in verschiedenen Applikationen verbaut sein soll. Gerade bei hoher Integration können Störfelder zum Problem werden. Eine gesteuerte Temperaturüberwachung wurde für den Einsatz in Gewächshäusern mit einer Kleinserie von Microcontrollern untersucht. Beim initialen Test mit Burst kam es bereits bei 1,2 kV zum Ausfall – der Controller führte einen Reset aus.

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Störungen können auf zwei Wegen auf die Baugruppe gelangen. Leitungsgebunden und Feldgebunden. Zunächst wird der leitungsgebundene Weg betrachtet: Störungen können über die Stromversorgungsbuchse (Schaltnetzteil) oder die Peripherieschnittstelle (Temperaturfühler) auf die Baugruppe gelangen. Fließen Störströme durch das Board werden Magnetfelder erzeugt. Diese können in Leiterschleifen Spannungen induzieren.

Dies kann nun 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. Sämtliche Leiterzüge waren in den Zwischenlagen der Platine verlegt. Kritische Signalpins des Controllers (Reset) sowie die Buchsen, welche die Platine mit der Außenwelt verbinden, waren mit Filterelemente versehen. Das legt die Vermutung nahe, dass die Störung auf einem anderen Weg den Fehler verursachen muss.

Für den feldgebundenen Störweg gelten die gleichen Zusammenhänge. Magnetfeldwirbel können die Schaltung durchsetzen und in den Leiterschleifen eine Spannung induzieren welche einen Störstrom durch die Baugruppe treibt. Dies führt zu den bereits beschriebenen Problemen. 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 an einem Widerstand (gegen V_ss oder V_dd) zu einem Spannungsabfall führen, welcher wieder als logisches Signal erkannt wird, oder er induziert Spannungen in anderen Schaltungsteilen. Die Unterseite der einseitig bestückten Platine war mit einem durchgehenden GND-Layer versehen. Die Oberseite war ebenfalls mit GND geflutet, um den Einfluss von Störmagnetfeldern zu minimieren.

Koppelwege auch auf Schaltkreisebene betrachten

Beide feldgebundenen Koppelwege müssen zusätzlich auch auf Schaltkreisebene betrachtet werden. Bei der H-Feld-Einkopplung durchsetzt ein Magnetfeldwirbel den IC. In den Stromschleifen des IC wird eine Störspannung induziert. Die induzierte Spannung kann im IC auf Signale oder die Versorgungsspanung einwirken und Fehler auslösen oder einen Störstrom durch die Schleife treiben und so den Schaltkreis beeinflussen.

Bei der E-Feld-Einkopplung liegt zwischen IC und Feldquelle eine Spannung an, welche in Abhängigkeit der Distanz (IC zu Feldquelle) ein elektrisches Feld erzeugt. Die elektrischen Feldlinien enden auf den metallischen Teilen (Pad des IC-Pin, Bonddraht, Die) des IC. Sie leiten einen Verschiebestrom in diese Oberfläche. Da sich trotz der bereits genannten Entstörmaßnahmen die Störfestigkeit nicht wesentlich verbesserte, musste die Schwachstelle der verbaute Controller sein.

Eine objektive Beurteilung der Störfestigkeit

Entsprechende Störfestigkeitsparameter sind in den Datenblättern der Hersteller allerdings nicht angegeben. Daher musste ein neues Kriterium zur Bewertung der Störfestigkeit bei feldgebundener Einkopplung gefunden werden.

Je nach Aufbau des IC können ein oder beide Koppelmechanismen (H-Feld/E-Feld) Fehler verursachen. Für eine objektive Beurteilung der Störfestigkeit ist es daher notwendig, Schaltkreise auf beiden Koppelwegen mit Störgrößen zu beaufschlagen. Für beide Störmechanismen wurden separate Koppelschaltungen entworfen. Als Störgrößenquelle wurde ein bereits vorhandener EFT/B-Generator, der Burstgenerator nach IEC 61000-4-4, verwendet. Bei der Einkopplung in das H-Feld wird dieser über ein 50-Ω-Hochspannungskabel mit dem Koppelstromleiter verbunden. Der Stromleiter selbst besitzt einen 50-Ω-Eingang, damit der Burst-Impuls unverzerrt an den Prüfling gelangt.

Ein zusätzlicher Mess–Shunt überwacht die generierten Störimpulse. Der Stromleiter wird im definiertem Winkel und Abstand über den Prüflingen angeordnet. Das gewährleistet, dass bei gleicher EFT/B-Generatoreinstellung alle ICs einem vergleichbaren Störfeld ausgesetzt sind.

Bei der Messung ist neben der Generatoreinstellung auch der Feldwinkel des Magnetfeldes zu beachten, da dieser mit der Ausrichtung des Stromleiters verbunden ist und direkten Einfluss auf die erreichte Störwirkung hat. Bei der E-Feld Einkopplung ist der EFT/B-Generator statt mit dem Stromleiter mit einer Koppelelktrode verbunden. Diese ist in einem definierten Abstand über dem Prüfling angeordnet. Die zwischen Koppelelektrode und Prüfling anstehende Spannung erzeugt ein elektrisches Feld welches der Burstspannugnsamplitude proportional ist.

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