Wie sich die EMV eines Prototypen dimensionieren lässt

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Die Ableitung von EMV-Parametern an einem Beispiel

Für die genannten Bauteile sollen EMV-Parameter abgeleitet werden. Die Parameter der für die Anwendungen vorgesehen kritischen Bauteile wie Steckverbinder und IC müssen dem Entwickler zur Entwicklungsplanung zur Verfügung stehen. Dazu müssen die Bauteile vermessen werden. Die Ableitung von EMV-Parametern soll an zwei Beispielen gezeigt werden. 1. EMV-Parameter für Steckverbinder: Aus Bild 2 ist der Koppelmechanismus für den Steckverbinder ablesbar. Der Strom i1 erzeugt das Magnetfeld B2. Dieses Feld induziert im Signalkontakt eine Spannung, die am IC ansteht bzw. einen Störstrom i2 in den IC treibt. Strom oder Spannung können die Störschwelle des ICs überwinden und Funktionsfehler auslösen.

Bei Störvorgang handelt sich um eine induktive Verkopplung des Schirm- oder Massesystems des Steckverbinders mit seinem inneren Signalkontakt. Zur Ableitung der EMV-Parameters eines Steckverbinders wird dieser in ein vereinfachtes Steckverbindermodell umgewandelt Im Bild 3 ist das vereinfachte Modell dargestellt. Hier sind alle Massekontakte bzw. Schirmkontakte zu einem Leiter zusammengefasst. Der Steckverbinder besteht nur noch aus zwei Kontakten, dem Signal und dem Massekontakt.

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In Bild 3 ist die Flussverkettung zwischen Störstrom i1 und induzierter Spannung erkennbar: U_ind = L_K di₁ / dt. Die Induktivität LK ist der gesuchte EMV-Parameter des Steckverbinders, der dem Entwickler bei der Planung seiner elektronischen Schaltung zur Verfügung stehen müsste. Die Induktivität L_K wird nur von der metallischen Konstruktion des Steckverbinders bestimmt und ist mit speziellen Messgeräten messbar. Die Induktivität eines massiv geschirmten HF-Steckverbinders liegt unterhalb des fH-Bereichs. Für Industrieanwendungen sind Steckverbinder mit Induktivitätswerten von einigen pH sehr gut und Steckverbinder mit einigen nH sehr schlecht. Die Anforderungen an den Steckverbinder gehen von der Anwendung aus, in die der Steckverbinder eingesetzt werden soll.

Am Beispiel wird gezeigt, wie der Induktivitätswert für die praktische Anwendung abgeschätzt wird. Ein ESD-Generator liefert nach EN 61000-4-2 bei 6 kV Generatorspannung eine Entladestromspitze von 22,5 A. Die Anstiegszeit beträgt 1 ns. Damit erzeugt der Generator ein di / dt von 22,5 A/ns. Beim Einleiten des ESD-Impulses in das Steckergehäuse wird als Worst-Case-Fall angenommen, dass der gesamte Strom über die Masse/Schirmkontakte fließt.

Wenn im Signalkontakt durch Induktion nicht mehr als 1 Volt Störspannung entstehen soll, erfordert das eine Koppelinduktivität < 44 pH. Wenn ein Sicherheitsfaktor von 2 eingeplant wird sind das ca. 20 pH. Die Störschwelle von 1 Volt wird von dem am Steckkontakt angeschlossenen IC vorgegeben. Zur Orientierung: ein kompletter RJ45-Steckverbinder kann im Mittel für Common Mode bei 750 pH und Differential Mode bei 20 pH liegen.

Streuungen sind Belegungs- und Herstellerabhängig und relativ groß. Das heißt, dass das Ausmessen der für die Anwendung in Betracht kommenden Steckverbinder von Vorteil ist. Die im ersten Beispiel angenommene 1-Volt-Störschwelle ist die Störschwelle des angeschlossenen ICs. Diese Störschwelle ist bereits eine EMV-Eigenschaft des ICs, also ein gesuchter EMV-Parameter. Die pinbezogenen Störschwellen eines ICs liegen in der Praxis zwischen 0,5 und 1000 Volt. Man sollte allerdings die tatsächliche Schwelle des verwendeten ICs kennen. Die Schwellen von ICs sind messbar aber momentan in keinem Datenblatt enthalten. Einige IC-Hersteller messen bereits die pinbezogenen Störschwellen ihrer ICs. Wie lässt sich ein IC für die Widerstandsfähigkeit gegen Elektrisches Feld (Bild 2, Feld E₁) spezifizieren?

Für die Ermittlung der Feldstörschwelle des ICs verwendet man eine Messanordnung, die ein definiertes Feld erzeugen kann (Bild 4). Je nach Aufbau der Messanordnung kann Pulsfeld mit Verläufen nach EN 61000-4-4, EN 61000-4-2 oder HF-Feld erzeugt werden. Der Test-IC befindet sich auf einer durchgehenden Massefläche. An der Feldelektrode wird gegen Masse die Prüf-Störspannung angelegt. Die wirksame Feldstärke ergibt sich aus angelegter Spannung pro 1 cm Abstand. Extrem empfindliche ICs haben ihre Schwellen bei 1 kV / cm, empfindliche liegen bei 4 kV / cm unempfindliche bei >9 kV.

Die Feldstärkewerte des ICs in der Praxis

Welche Feldstärkewerte muss der IC in der Praxis standhalten? Die praktische Beeinflussbarkeit hängt davon ab, wie weit ein spannungsführendes Teil in der späteren Anwendung vom IC entfernt liegt. Spannungsführende Teile können auch auf Masse liegende Konstruktionsteile sein (Bild 2). Pulsspannungen können dann an stegartigen Teilen entstehen. Aus ESD-Generatoren treten unerwünschte Störfelder mit hohen Feldstärkewerten aus [1]. Bei der Prüfung kann der ESD-Generator am Kunststoffgehäuse der fertigen Anwendung anliegen. Hinter dem Gehäuse kann im Millimeterabstand ein empfindlicher IC liegen. Er wird von diesen Störfeldern mit hoher Feldstärke belastet.

Die Situation verschärft sich erheblich, wenn ICs Kühlkörper erhalten müssen. Der Kühlkörper leitet die Störspannung direkt an den IC. Ohne Kühlkörper kann der Abstand zwischen IC und potenzieller Elektrode zwischen 1 und 10 cm liegen. Durch den Kühlkörper verringert sich der Elektrodenabstand zum IC auf ca. 0,5 mm. Der Kühlkörper bewirkt eine Feldstärkeerhöhung um Faktor 20 bis 100. Benötigt ein IC einen Kühlkörper, sollte er im IC-EMV-Test mit einem Feldelektrodenabstand von 0,5 mm getestet werden.

Wenn eine Anwendung später nach einer Gerätenorm mit 6 kV getestet werden soll, muss die IC-Prüfspannung den gleichen Wert haben. Demgegenüber können empfindliche IC Störschwellen von < 100 Volt / 0,5 mm besitzen.

Literaturhinweis

[1] Die Störwirkung der ESD-Pistole Teil 1, Gunter Langer, ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 21 /2012

* Gunter Langer ist Geschäftsführer bei Langer EMV-Technik in Bannwitz bei Dresden.

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