Störungen in Baugruppen besser vermeiden

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Das Problem mit den verschiedenen Herstellern

Auf diesem Weg können die Prüflinge getrennt mit E-Feld oder H-Feld Störgrößen beaufschlagt werden. Neben dem bereits in der Applikation verbauten IC wurden zwei weitere Pinkompatible Typen weiterer Hersteller ausgewählt. Für die folgende Messung wird erwartet, dass die Schaltkreise unterschiedlicher Hersteller bei verschiedenen EFT/B-Generatorspannungen, Koppelmechanismen (E-Feld / H-Feld), und Feldwinkeln (nur H-Feld) ausfallen oder Fehler verursachen. Anhand der Messergebnisse sollte es dann möglich sein einen störfesteren IC für die beschriebene Applikation zu finden.

Untersucht wurden Mikrocontroller vom Typ 80C51 drei verschiedener Hersteller. Die Schaltkreise wurden nicht in der Applikation, sondern auf speziell angefertigten Testadaptern geprüft, um die Rahmenbedingungen reproduzierbar zu halten und parasitäre Effekte durch andere Schaltungsteile auszuschließen. Für die Messung gelten folgende Parameter:

• identisches Gehäuse-Pinout (VQFP44)

• vergleichbare Funktionalität (alle 8051 kompatibel)

• identischer Testadapter (gleiche Bestückung mit Filterelementen)

• gleiches Testprogramm oder Firmware

Jeder Pin ist mit einem Prüfsignal versehen

Der Schaltkreis wird im laufenden Betrieb getestet. Das Testprogramm ist so gewählt, dass jede Komponente im Schaltkreis (Timer/Uart/Watchdog) verwendet wird und entsprechende Prüfsignale an den Pins Aufschluss über deren Funktionalität geben. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Pin fortlaufend getoggelt (Heartbeat Signal), sowie ein statisches Signal nach außen gelegt. Zur Überwachung genügt in diesem Fall ein Oszilloskop. Zusätzlich wurden die Ausgänge mit LEDs verbunden. Die einzelnen Betriebszustände des IC wurden über eine Prüfadapter-PC-Verbindung mit einem PC gesteuert.

Beim Starten des IC blinkt die LED_01 (Heartbeat) langsam, während LED_02 dauerhaft leuchtet. Sollte es zu einem Absturz mit anschließendem Reset kommen, wechselt der IC, entsprechend seiner Firmware, in einen anderen Betriebsmodus welcher LED_01 (Heartbeat) schneller blinken lässt sowie LED_02 abschaltet. Ein Problem mit dem internen Programmablauf lässt sich an Unregelmäßigkeiten des Heartbeatsignals erkennen.

Wie der Versuch im Detail abgelaufen ist

Es wurden folgende Komponenten verwendet:

• EFT/B-Generator mit max. 4,4 kV Generatorspannung

• Grundplatte für Testadapter mit integrierter IC zu PC-Schnittstelle

• Prüfling im Testadapter

• H-feldquelle / E-Feldquelle mit 3-mm-Distanzring

• Oszilloskop und Oszilloskop-Adapter

• Stromversorgung für IC und PC-Schnittstelle

Der IC ist über den Testadapter mit der PC-Schnittstelle verbunden. Dieses bietet die Möglichkeit der Überwachung und Steuerung des IC. Im gezeigten Messaufbau wurden zusätzlich der Oszilloskopadapter verwendet, welcher den Anschluss der Tastköpfe des Ozilloskops erleichtert. Dieser beeinflusst die Messungen nicht. Versorgt wurde der Aufbau mit einem geregelten Schaltnetzteil mit interner Strombegrenzung, die den IC bei Fehlfunktion vor Zerstörung schützen soll. Die Feldquellen werden an den EFT/B-Generator angeschlossen. Der Messausgang mit 50 Ω der Feldquelle überwacht die eingespeisten Impulse, indem sie mit dem Oszilloskop verbunden wird.

Zunächst wurde das Programm des IC gestartet. Ob der IC ordnungsgemäß arbeitet, wurde von einem Oszilloskop überwacht. Die Feldquelle wurde beginnend mit der H-Feldquelle mittig über dem Schaltkreis platziert. Damit die Messungen vergleichbar bleiben, musste auf die Ausrichtung der Feldquelle zum Prüfling geachtet werden, da die Störwirkung bei H-Feld vom Feldwinkel abhängt.

Liegen die Unterschiede in den Schaltkreisen?

Begonnen wurde die Einkopplung mit der niedrigsten EFT/B-Generator Amplituden-Einstellung bei positiver Polarität. Der Schärfegrad wurde schrittweise bis max. 4,4 kV Generatorspannung erhöht bzw. bis ein Fehler auftrat. Anschließend wurde die Polarität umgeschaltet und die Messung wiederholt. Bei der H-Feldeinwirkung mussten mehrere Messungen, bei verschiedenen Feldwinkeln durchgeführt werden. Die Schaltkreise wurden bei jedem Prüfdurchgang eine Minute mit der Störgröße beaufschlagt. Die unterschiedlichen Störschwellen der Schaltkreise sind sofort sichtbar: Keiner der geprüften Schaltkreise zeigte Empfindlichkeit gegenüber E-Feld-Einwirkung.

Bei der Beaufschlagung mit Magnetfeld ließ sich der 80C51 von Hersteller 2 erst bei 4 kV zum Absturz bringen, während der IC von Hersteller 3 bereits bei 1 kV den Reset ausführte. Da sämtliche Prüfbedingungen identisch waren, müssen die Unterschiede in den Schaltkreisen selbst liegen. Die Messungen mit dem Feldwinkel 180° liefern bei entgegengesetzter Generatorpolarität die gleichen Ergebnisse wie die Messungen mit dem Feldwinkel 0°.

Bei einem Feldwinkel von 90° ließ sich keiner der Schaltkreise beeinflussen. Bei allen Messungen wurde das Heartbeat-Signal nicht beeinflusst und die ICs funktionierten bis zum Reset. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass die Versorgung der Schaltkreise gestört wurde.

* Lars Glässer ist Entwicklungsingenieur bei Langer EMV in Bannewitz.

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