Wie Steckverbinder EMV-konform dimensioniert werden können

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Die Wirkung der Störgeneratoren in Bezug auf EMV

Burst- und ESD-Störimpulse haben unterschiedliche Störwirkung. Um eine allgemeingültige Beschreibung der Beeinflussung zu ermöglichen, muss eine Kenngröße der Störwirkung gebildet werden. Die Kenngröße der Beeinflussungswirkung eines Störgeneratos ist sein maximales di/dt. Das di/dt erzeugt nach dem Induktionsgesetz (1,2,3) die Beeinflussung im Steckverbinder. Das Maximum wird im Bereich der Vorderflanke des Störpulses bei idealem Kurzschluss des Generators erreicht. Im Bereich der Anstiegszeit T_A steigt der Strom des Generators auf Î = Û_Gen / R_Gen an. Daraus erhält man:

Das di/dt ist proportional der Generatorspannung Û_Gen. Durch Division mit der Generatorspannung ergibt sich die Störwirksamkeit k_GEN:

Die Konstante k_GEN ist ein Maß für die Störwirksamkeit eines Störgeneratos. Die messtechnisch ermittelten Werte für k_GEN weichen von den berechneten Werten ab. ESD-Generatoren besitzen höhere Werte, die im Wesentlichen durch interne parasitäre Effekte bewirkt werden. Bei Burstgeneratoren sind die Werte kleiner, bedingt durch ein ungünstiges L/R-Verhältnis des Störstromkreises. Für praktische Anwendungen lassen sich Maximalwerte für k_GEN messtechnisch ermitteln. Dabei muss der Typ der Generators berücksichtigt werden. Die für die Praxis stehen Datensammlungen zur Verfügung [1]. In Tabelle 1 sind Werte angegeben.

Beispiel: Wirkung eines direkt in den Empfängersteckverbinder eingekoppelten 0,2 kV ESD-Impulses auf den LVDS-IC im Signalzustand H (links) und L (rechts)

ESD-Generatoren erzeugen zusätzlich zum gewünschten Pulsverlauf hochfrequente Einschwingvorgänge im Bereich von 2 bis 3 GHz. [2]. Diese Einschwingvorgänge klingen nach wenigen ns ab. Nur sehr schnelle ICs können durch diese Vorgänge beeinflusst werden (Core Spannungen bei 1 V, Strukturbreiten <100 nm). Der LVDS-Empfänger wirkt wie ein Tiefpass. Er kann nur dem 1-ns-Vorgang folgen und schaltet entsprechend den „LVDS out“.

Tabelle 1: Berechnete und gemessene Werte für kGEN . Die Bedingungen für die gemessenen Werte: Die ESD-Pistole wurde direkt auf eine Metallfläche aufgesetzt. Der Burstgenerator besaß ein 50 cm langen externen Leitungsstromweg.

Der darüberliegende 2,2-GHz-Vorgang erzeugt keine Veränderung des logischen Zustandes am „LVDS out“. Das bedeutet, dass k_GEN Tabelle 1 gültig ist. Für empfindlichere ICs besitzt dieser ESD-Generator einen Wert, der etwa doppelt so hoch ist (k_GENca. 7 A/ns kV). Mit derartigen IC ausgerüstete Geräte reagieren empfindlicher.

Die Wirkung der Störeinkopplung im symmetrischen Leitungssystem am Beispiel LVDS

L_DIF und L_COM koppeln unterschiedlich Spannung in das LVDS-System. Diese Spannungen stoßen auf zwei unterschiedliche Signalstörschwellen:

Gegentaktspannung u_DIF: Schaltschwelle U_schwelle = 360 mV

Gleichtaktspannung u_COM:Begrenzungsspannung der Schutzdioden -> U_Diode = 2,5 bis 5 V

Das Gegentakt-Störsignal Bild 4 ist dem 1 GBit-Gegentakt-Nutzsignal überlagert (C1, C2). Die Differenzspannung ist im Kanal M1 = C2-C1 dargestellt. Für M1 liegt die Schaltschwelle bei 0 Volt, dann haben beide Signale in Summe 360 mV zurückgelegt. Wenn die eingekoppelte Differenzspannung die LVDS Signale um 360 mV reduziert (M1 = 0 V), entstehen Bitfehler. Am Ausgang (M2) des LVDS-Empfängers ist der zerstörte Datenstrom erkennbar.

Bei Gleichtaktstörungen Bild 3 liegt die Störschwelle wesentlich höher. Das Störsignal muss erst die Schaltspannung der Schutzdioden erreichen. Die Dioden schließen dann die Datensignale kurz, so das kein Datenempfang möglich ist. Bei Burst entsteht eine Differenzspannung, die nahezu Null ist (Bild 11). Bei ESD setzen sich hochfrequente Einschwingvorgänge der ESD-Pistole durch.

Wenn die Schutzdioden leitfähig werden, geht die Anpassung verloren. Es entstehen Reflexionen, die nach der Laufzeit periodisch Bitfehler wiederholen. Das Störschwellenverhältnis von DIF zu COM liegt etwa bei 1:10.

Trotz EMV bitfehlerfrei Daten übertragen

Wenn Datenübertragungssysteme bitfehlerfrei sein sollen, dürfen keine Störspannungen eindringen, die diese Bitfehler erzeugen können. Das heißt, die Koppelinduktivität der Steckverbinder muss so klein sein, dass der standzuhaltende Störstrom des Störgenerators lediglich Spannungen kleiner der Störschwelle in den Datenleitungen induziert.

Derartige Systeme können Daten-/Adressbussysteme oder spezielle Echtzeitsysteme sein. Die erforderlichen Induktivitätswerte lassen sich aus der Signalstörschwelle U_schwelle des Datensystems, der standzuhaltenden Generatorspannung Û_Gen und der Störfähigkeit k_GEN des Generators berechnen (worst case). Aus (6) entsteht:

In Bild 7 und 8 ist die Gleichung (8) für ein LVDS-System dargestellt, dass mit Burst und ESD belastet wird.

Bild 7 und 8: Zulässige Induktivität LDIF eines Steckverbinders in Abhängigkeit der Prüfgeneratorspannung für eine Signalschwelle von 360 mV, mit kGEN 1,4 A/ns kV und 3,5 A/ns kV (links). Rechts in Abhängigkeit von Lcom (Begrenzungsspannung Schutzdioden) von 2,5 V, mit kGEN 1,4 A/ns kV und 3,5 A/ns kV

Im Vorfeld der Elektronikentwicklung kann aus der geplanten Störfestigkeit (ESD und BURST in kV) der entsprechende Steckverbinder über seine Koppelinduktivität ausgewählt werden. Vorausgesetzt wird, dass für die infrage kommenden Steckverbinder die Werte der Koppelinduktivität zur Verfügung stehen [1].

Das gilt auch für interne Datenleitungen ohne Fehlersicherung. Das sind meist Einzelleitungen, die im Geräteinneren über Board-zu-Board-Steckverbinder führen. Die Störschwelle entspricht der Schaltschwelle der verwendeten Logikfamilie [3].

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Link: EMV Produktportfolio von Langer EMV

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