Wie Steckverbinder EMV-konform dimensioniert werden können

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Die Funktionstüchtigkeit in Bezug auf EMV hängt von der Typauswahl ab

Tabelle 2: Wertebereich der meßtechnisch ermittelten Koppelinduktivität für RJ45 Stecksysteme, Stand 2010

Aus dem Induktivitätswertebereichen für RJ45-Stecksysteme Tabelle 2 und dem Zusammenhang zur Generatorspannung Bild 7 und 8 ist zu entnehmen, dass RJ45-Steckkontakte über den Gegentakteinkoppelpfad ESD-CD Spannungen von 7 bis >30 kV und über den Gleichtakteinkoppelpfad 14 bis >30 kV standhalten. Die Buchsen sind wesentlich schlechter. Die Kabelstecker können typabhängig bereits bei < 0,2 kV Burst gestört werden, sie können auch >8 kV Burst halten. Am Beispiel Burst erkennt man, dass die Funktionstüchtigkeit heutzutage dem Zufall der Typauswahl überlassen wird. Das trifft zu, wenn RJ45-Steckysteme für Datenübertragung ohne Fehlersicherung verwendet werden.

Tabelle 3: Grenzwerte der Koppelinduktivitäten für 2 kV Burst und 6 kV ESD CD für Bitfehlererzeugung

Die Werte in Tabelle 3 zeigen die Maximalwerte der Gesamtinduktivität des Stecksystems für die Bitfehlergrenze. Sie gelten ohne Reservefaktor. Der Reservefaktor liegt bei >1,2. Für sichere Systeme kann eine Reserve von Faktor 10 angestrebt werden. Für HF-Einkopplung sind die Zusammenhänge aus (1) und (6) ableitbar: U_schwelle = I_Stör ω L / √2

Bild 9: Berechnete Grenzwerte für HF-Einkopplung in Steckverbinder

Die Gleichung gilt im Bereich der Scheitels der HF-Stromes I_Stör. In Bild 9 sind für einige Induktivitätswerte die berechneten Grenzströme dargestellt. Je weiter der Zeitverlauf des Störstromes die Schwelle überschreitet, um so größer werden die Bitzerstörungen. Praktisch kann die HF-Stromeinkopplung nach der BCI-Methode erfolgen.

Der Einfluss der Fehlersicherung auf die EMV

Es gibt verschiedene Strategien, die Bitfehler vermeiden oder erkennen und korrigieren. Diese Strategien bauen gestaffelt aufeinander auf.

1. Mehrfachabtastung eines Datenbits und Mehrheitsentscheid (Filter)

2. Bitfehlererkennung und Korrektur, es kann nur eine begrenzte Zahl von Bits korrigiert werden

3. Wiederholung von Nachrichten (Resend) wenn die Zahl der korrigierbaren Bits überschritten wird.

4. Linkneuaufbau

Die Mehrfachabtastung kann eventuell für sehr schnelle Systeme nicht ausreichend umgesetzt werden und die Wiederholung von Nachrichten kann für Echtzeitsysteme nicht zulässig sein. Der Engpass liegt bei den Echtzeitsystemen ohne Wiederholung. In diesem Fall können nur eine begrenzte Zahl von falschen Bits korrigiert werden. Der Störmechanismus der Einkopplung ist so beschaffen, dass mit steigendem Scheitelwert der Störgröße die Zerstörbreite zunimmt. Ab einer bestimmten Zerstörbreite können die Fehlersicherungsmaßnahmen nicht mehr greifen.

Bild 10 und 11: Reaktion eines LVDS-Systems auf 1 kV Bursteinkopplung in einen CAT 5E Kabelstecker. C3: Ausgang des LVDS Empfängers. Bitzerstörung: 6,8 ns, Bitbreite 250 ns (links) und Reaktion eines LVDS-Systems auf 1,5 kV Bursteinkopplung in einen CAT 5E Kabelstecker. C3: Ausgang des LVDS Empfängers. Bitzerstörung: 74 ns, Bitbreite 250 ns (rechts).

Im Bild 10 und 11 ist für ein LVDS-System die Wirkung eines Bursimpulses auf einen CAT 5 E Kabelstecker dargestellt. Man erkennt, dass der Hauptanteil ein Gleichtaktanteil ist. Der Gleichtaktanteil hat aber eine höhere Störschwelle (Schutzdioden) und wird im Bild 10 nicht wirksam, der Gegentaktanteil erzeugt hier die Störung. Im Bild 11 übersteigt auch der Gleichtaktanteil die Störschwelle. Die Spannung an den Signalleitungen übersteigt im Störfall die Begrenzungsspannung der Schutzdioden (Bild 11).

Tabelle 4: Bitzerstöung TZ bei Burst auf einen CAT 5E Kabelstecker

Sie werden leitfähig und schließen die Datensignale kurz. Die Zeit der Bitzerstörung steigt mit dem Scheitelwert der Störspannung Tabelle 4.

Bild 12 und 13: Reaktion eines 1 GBit LVDS-Systems auf 5 kV ESD CD Einkopplung in eine Gegentaktinduktivität 2nH. M1 Differenzsignal C2-C1, M2: Ausgang des LVDS Empfängers. Bitzerstörung: ca.70 ns (links) und Reaktion eines 1 GBit LVDS-Systems auf 8 kV ESD CD Einkopplung in eine Gleichtaktinduktivität 1nH. M1 Differenzsignal C2-C1, M2: Ausgang des LVDS Empfängers. Bitzerstörung: ca. 50ns (rechts).

Je höher die Datenrate ist, um so kleiner ist die Bitbreite, um so mehr Bits werden zerstört. Wenn der Störvorgang Bild 11 mit einer Zerstörbreite von 74 ns auf ein 100 MBit System (Bitberite 10 ns) trifft, würden 7 Bit zerstört. Bei ESD-Einkopplung erzeugen der Impulsverlauf, die Schutzdioden und die Reflexionserscheinungen eine Ausweitung der Bitzerstörung Bild 12 und 13. Die Zerstörbreite ist ebenfalls vom Scheitelwert der Generatorspannung abhängig Bild 14.

Bild 14: Bitzerstörbreiten für ein LVDS-System in Abhängigkeit von der ESD-Generatorspannung bei 2 nH Steckverbinder-Gegentaktinduktivität

Das Wirksamwerden der Schutzdioden erhöht sprungartig die Zerstörbreite (Bild 14 zwischen 0,5 und 1 kV Generatorspannung).

Die Breite der Bitzerstörung setzt die Grenzen für eine sichere Mehrfachabtastung und auch die Grenze für eine Fehlerkorrektur. Durch eine entsprechend geringe Koppelinduktivität der Stecksysteme lässt sich das Problem lösen Bild 7 und 8. Für Systemdimensionierungen ist die Kenntnis der Bitzerstörbreiten wichtig. Richtwerte für die Zerstörbreiten lassen sich in Datensammlungen parameterabhängig (L_DIF, L_COM) erfassen.

Die IC-Funktionsstörschwellen

Zu den oben beschriebenen IC-Signalstörschwellen können IC-Funktionsstörschwellen hinzukommen [4]. Wenn diese Schwelle erreicht wird, treten Funktionsstörungen im IC auf. Sie liegen in ihrem Pegel meist über den Signalstörschwellen. Der Wert ist vom IC-Typ abhängig und kann zwischen 1 und 500 V induzierter Spannung liegen. Der Wirkungsweg der Funktionsstörschwellen verläuft über die IC-internen Schutzdioden.

Über sie kann Störstrom tiefer in den IC vordringen. Dabei kann er je nach Komplexität entsprechend vielfältige Funktionsstörungen auslösen. Im einfachsten Fall können die Störungen zusätzliche Datenübertragungsfehler bewirken. Der schwerwiegende Fall kann ein Totalausfall sein. Jeder auch undenkbare Fehler ist möglich. Die relevanten Fehler können nur im Experiment ermittelt werden. Sie lassen sich nach Schweregrad ordnen [4]. Die Fehlerschwellen können für Gleich- und Gegentaktbeeinflussung erfasst werden. Eine IC Datensammlung besteht dann aus IC-Signalstörschwellen und IC-Funktionsstörschwellen mit Fehlverhalten und Einsatzpegeln.

Literatur:

[1] Datensammlung Langer EMV-Technik GmbH

[2] Fachzeitschrift ELEKTRONIK Auflage 5/2010

[3] Firmenschrift Langer EMV-Technik: Steckverbinder Koppelinduktivität, Stand Dezember 2007, www.langer-EMV.de

[4] Firmenschrift Langer EMV-Technik: EMV-Anforderungen und Prüfverfahren zum Test der Pulsstörfestigkeit von ICs und ASICs

* * Gunter Langer ist Geschäftsführer bei Langer EMV-Technik GmbH in Bannewitz.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: EMV Produktportfolio von Langer EMV

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