EMV - Fachtagung 22. Januar 2013 Bern EXPO

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1 EMV - Fachtagung 22. Januar 2013 Bern EXPO Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz

2 Inhaltsverzeichnis 1. Mechanismen der Störaussendung Entstehung von HF-Feldern auf Baugruppen Prüfling und Kabel als Sendeantenne Arten der Antennenspeisung Messverfahren für den Entwickler Einsatz von Nahfeldsonden Arten von Nahfeldsonden Strategien zur Anwendung Einbringen von Gegenmaßnahmen in die Wirkungskette HF-Messungen HF-Messungen bei kleinsten Strukturen HF-Messung auf Datenleitungen Entwicklungsbegleitende Emissionsuntersuchungen Entwicklungsbegleitende Untersuchungen zur Störaussendung sollen dem Entwickler helfen, die innerhalb des Prüflings wirkenden Mechanismen transparent und verständlich zu machen. Sie sind Voraussetzung dafür, die notwendigen Modifikationen zu ermitteln, in kurzer Zeit umzusetzen und dadurch zusätzliche Filterelemente und Schirmungen auf ein Minimum zu reduzieren. Nachfolgend werden anhand überschaubarer Strukturen die grundsätzlichen Mechanismen beschrieben, auf die sich alle Aussendungssprobleme zurückführen lassen. Davon ausgehend sind Messverfahren beschrieben, die dem Entwickler helfen sollen, aus der Vielzahl der Bauelemente und Signalverbindungen in seinem Prüfling die kritischen herauszufinden und die durchgeführten Modifikationen auf ihre Wirksamkeit hin zu untersuchen. 2

3 1. Mechanismen der Störaussendung 1.1. Entstehung von HF-Feldern auf Baugruppen Die potentiellen Quellen einer Störaussendung von Baugruppen sind getaktete Halbleiter mit den physikalischen Größen: Strom und Spannung. Diese Größen erzeugen über Leitungsnetze im umgebenen Raum die Feldgrößen H, B, E und D. Diese Felder sind Nahfelder. Nachfolgend sind die an einem Ausgangspin eines IC gemessenen Spannungen in Abhängigkeit von der Pegellage dargestellt. Es wird deutlich, dass die im Inneren des IC erzeugten HF-Spannungen und HF-Ströme über IC-Pins nach außen koppeln. Das IC-Pin in unserem Beispiel muss dazu nicht geschaltet werden. Neben Ausgangspins können je nach IC auch über Versorgungspins und Eingangspins (diese sind über Schutzbeschaltungen mit der IC-Versorgung verbunden) HF-Ströme und -spannungen ausgekoppelt werden. 3

4 1.2. Prüfling und Kabel als Sendeantenne In den meisten Fällen wird die Elektronikbaugruppe des Prüflings nicht selbst aussenden. Sie wird vielmehr in angeschlossene Kabel und Konstruktionsteile HF- Ströme und HF-Spannungen einkoppeln, die ihrerseits die gesamte metallische Struktur z.b. bestehend aus Baugruppe, Gehäuse, Kabel zum Schwingen anregt. 4

5 1.3. Arten der Antennenspeisung Drei unterschiedliche Arten der Anregung der als Antenne wirkenden metallischen Struktur durch die Baugruppe können auftreten: Die u/i gespeiste Antenne auf Baugruppen/Geräteniveau ist ein freistehender Leiterzug, der von einem Halbleiter mit HF gespeist wird. Die Leiterzüge auf den Flachbaugruppen liegen dagegen nicht wie im Bild dargestellt frei, sondern sind im Layout von Leiterkarten oder in Kabeln dicht an benachbartes Metall angeordnet. Das Metall wirkt meist als Schirm und verhindert dadurch das Ausbilden der direkten Abstrahlung. Bei der E/D gespeisten Antenne erfolgt die Speisung über die Platten eines Kondensators. Die HF-Spannung tragenden Leitungen oder Bauteiloberflächen erzeugen in ihrer Umgebung ein elektrisches Feld E. Dieses Feld erzeugt einen Verschiebestrom D= E. Dieser Strom kann in benachbarte Metallteile überkoppeln und das Metallsystem des gesamten Gerätes als Antenne anregen. Das Nahfeld E bzw. D ist ein Erregerfeld. Es existiert unabhängig vom Antennenfeld und erzeugt direkt kein Fernfeld. Bei der B/H gespeisten Antenne erfolgt die Anregung über das Magnetfeld H, B. Ein Erregerstrom erzeugt ein Magnetfeld. Umfasst das Magnetfeld ein Antennenelement, induziert es die Erregerspannung u = d /dt. Dabei kann das Metallsystem ein Teil des Erregerstromkreises sein, z.b. eine GND-Fläche. Das Metallsystem der Antenne kann ebenso getrennt vom Erregerstromkreis angeordnet sein - z.b. ein benachbartes metallisches Teil. Die Magnetfelder werden auf der Baugruppe erzeugt durch IC-Stromschleifen (Stromschleifen im Inneren von Schaltkreisen), Stromschleifen im Layout der Baugruppe, im Bereich von Steckverbinderstifte, Versorgungsleitungen oder Signalleitungen. 5

6 2. Messverfahren für den Entwickler Neben den üblichen Messungen z.b. mit Antenne gibt es die Möglichkeit, für Vergleichszwecke (zur Bewertung von Modifikationen) den aus dem Prüfling in die angeschlossenen Kabel fließenden HF-Strom zu messen. Diese Methode hat den Vorteil, dass nur ein sehr kleinräumiger Messaufbau benötigt wird, der in der Nähe des Entwicklerarbeitsplatzes aufgebaut werden kann: Um Umgebungseinflüsse zu minimieren und den Einfluss von Kabellänge und Kabellage zu verringern, ist es notwendig, eine metallische Bezugsfläche einzuführen, auf die sich die Messung bezieht. Alle angeschlossenen Kabel werden auf dieser Fläche definiert verlegt (z.b. in der Umgebung des Prüflings mit Klebeband fixiert und im weiteren Verlauf mit Ferriten befiltert). Es entsteht ein kleinräumiger Messaufbau, der reproduzierbare Vergleichsmessungen unmittelbar am Entwicklerarbeitsplatz ermöglicht und damit während der EMV-Optimierung eine erhebliche Zeit- und Kosteneinsparung gegenüber herkömmlichen Messungen im Labor ermöglicht. Natürlich ist nach Abschluss der Optimierung noch eine Messung unter genormten Bedingungen - z.b. bei einem Dienstleister im Freifeld zur Bestätigung erforderlich. Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz

7 Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz

8 Im Bild wird ein Prüfling mit zwei Kabelanschlüssen bewertet: Das Kabel am linken Anschluss wird durch einen Stromwandler geführt, das rechte Kabel wird zur Funktion des Prüfling nicht benötigt und ist zur Vereinfachung des Messaufbaus - durch eine kapazitive Ankopplung an die metallische Bezugsfläche ersetzt. Prüflinge mit nur einen angeschlossenen Kabel werden auf ähnliche Weise bewertet: Der HF-Strom fließt aus dem Prüfling durch den HF-Stromwandler in die Metallfläche und durch die kapazitive Kopplung zwischen Prüfling und Metallfläche wieder zum Prüfling zurück. 8

9 Ebenso werden HF-Ströme erfasst, die durch elektrische Auskopplung von Verschiebestrom in die Umgebung des Prüflings hervorgerufen werden. Messungen an komplexen Geräten können ebenso durchgeführt werden. Es empfiehlt sich, zur besseren Zuordnung der gemessenen HF-Ströme zu deren Quellen einzelne Teile des Prüflings mehrfach mit der metallischen Grundplatte zu verbinden und so als HF-Quelle auszuschalten. Im Bild wird durch Einsatz eines HF-Stromwandlers HFW 21 der aus einem Schnittstellenmodul ausgekoppelte HF-Strom gemessen. Der von der Grundplatine erzeugte HF-Strom wird durch die Verbindung der Grundplatine mit der metallischen Grundplatte eliminiert. Somit kann nur das Schnittstellenmodul bewertet und modifiziert werden. 9

10 3. Einsatz von Nahfeldsonden 10

11 3.1. Arten von Nahfeldsonden Für die Nahfeldaufklärung auf der Baugruppe werden verschiedene H/B Nahfeldsonden und E/D Nahfeldsonden weltweit angeboten. Jede dieser Sondenfamilie wurde unter einer bestimmten Aufgabenstellung entwickelt. Für die entwicklungsbegleitende Suche der Quellen einer Emission im Layout einer Baugruppe sind folgende Kriterien für die Auswahl einer optimalen Nahfeldsonde wichtig: - genaue Unterscheidung zwischen H/B- und E/D-Nahfelder - Anpassung der Sondenköpfe an die zu messenden Feldstärken und Feldstrukturen - Möglichkeit der Richtungsbestimmung bei H/B-Nahfeldmessung - breiter nutzbarer Frequenzbereich - bequeme Handhabung beim Messen Von diesen Kriterien ausgehend gibt es nicht eine optimale Nahfeldsonde für die Quellensuche einer Emission. Es steht vielmehr die Aufgabe an den Hardware- Entwickler, für seine Baugruppengröße und Layoutanforderungen und die jeweilige Felderregung und den benötigten Frequenzgang die optimalen Sonden zu finden und einzusetzen. Hierbei ist es wichtig, eine Messstrategie der Nahfeldmessung zu entwickeln, um mit den ausgesuchten Nahfeldsonden die Quellen der Emission auf dem Board zu finden Strategien zur Anwendung Die Anwendung von Werkzeugen wird aus den vorgestellten Modellen und Lösungsansätzen abgeleitet. 11

12 Es wird geprüft, ob elektrische Erregerfelder für die E/D gespeiste Antenne vorhanden sind. Mit der E-Feldsonde RF-E 02 muss ein deutliches Maximum über der Baugruppe (ca. 2 cm) nachweisbar sein. Dann wird Erregerstrom von der Baugruppe abgegeben. Mit der höher auflösenden Nahfeldsonde RF-E 05 werden die Leitung oder das Bauteil eingegrenzt, die als Quelle das Feld abgibt. Ist eine höhere Auflösung notwendig, z.b. Anordnung der Leiterzüge in 0,2 mm Abstand, kommt die Sonde RF-E 10 zum Einsatz. Unabhängig vom elektrischen Feld können magnetische Erregerfelder für die H/B gespeiste Antenne vorhanden sein. Mit der Feldsonde RF-R werden die Felder H1 und H2 gesucht. Die Felder H2 sind nur dann von Bedeutung, wenn Metallteile für eine Induktion in ihrem Wirkungskreis liegen. Das Feld H1 kann nur dort selektiv erfasst werden, wo die Felder H2 gering sind. Die Suche der relevanten Stromschleifen gestaltet sich auf Flachbaugruppen schwierig, da man auf das Feld H2 angewiesen ist, welches nicht zur Aussendung führt. Meist sind mehrere Schleifen vorhanden. Die Leitungen, die zu diesen Schleifen, gehören findet man mit der Sonde RF-U 2,5-2. Der Stromfluss kann über IC-Pin s, Leitungen und Kondensatoren verfolgt werden. Es läßt sich feststellen, welcher Stromanteil durch Kondensatoren hindurch oder an ihnen vorbei fließt. Weitere verfügbare Nahfeldsonden der Typen XF und MFA werden im Anhang vorgestellt. Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz

13 4. Einbringen von Gegenmaßnahmen in die Wirkungskette Die Gegenmaßnahmen unterliegen dem Modell der E/D und H/B gespeisten Antenne und dem Modell des magnetischen Nichtleiters. Es sind alle kreativen Ideen gefragt, die in ihrer Realisierung in die Wirkungsketten vorteilhaft eingreifen. Die grobe Orientierung läßt sich aus den Modellen verallgemeinern. 1. Die felderzeugenden physikalische Größen u und i werden so verändert, dass die schädlichen Frequenzanteile ausreichend reduziert werden. Die Verbesserung der Signalgrößen u und i aus EMV-Sicht kann durch Verändern der Software, der Hardware-Logik oder der Halbleiterparameter erfolgen. Dieser Weg ist selten beschreitbar. Praktisch dämpft man die physikalischen Größen u, i mit Bauteilen R, L und C. Dabei muss die Signalintegrität gewahrt bleiben. Damit sind Grenzen gesetzt. Z.B. sind praktisch Display Flachbandleitungen mit einem Pixeltakt bis ca. 15 MHz beherrschbar. Diese Methode ist nicht nur auf Signalleitungen beschränkt. Stromversorgungsanschlüsse von z.b. µc können ebenfalls mit R, L bedämpft werden. Es ist ein Trugschluss anzunehmen, dass Stromversorgungsanschlüsse immer gut abgeblockt werden müssen. Eine gute Abblockung kann eine nicht mehr zu beherrschende Stromschleife aufbauen. Beispielsweise erzeugen Power- GND-Planes durch ihre harte Abblockung das Stromschleifenproblem. 2. Die feldabgebenden Leitungsnetze und Bauteile werden so verändert, dass die Abgabe von Feld ausreichend reduziert wird Der zweite Weg ist das Reduzieren der Nahfeldabgabe. Das ist bei elektrischen Feldern einfacher. Es genügt, die freie Oberfläche der Leitungsnetze zu verringern. Das ist durch Verkürzen, Annähern an oder Abdecken mit GND möglich. Magnetfeld ist schwieriger zu beherrschen. Aus dem H1/H2 Modell läßt sich ablesen, dass Schleifenhöhe und Metallsystembreite im umgekehrt proportionalen Zusammenhang stehen. Als Maßnahme folgen: - Querschnitt der Stromschleife verringern. - Das Metallsystem im Erregerbereich verbreitern. Das Metallsystem besitzt viele Variationsmöglichkeiten. Dabei hilft das Modell vom magnetischen Nichtleiter weiter. Mit magnetischen Nichtleitern lassen sich magnetische Feldlinien formen. Durch Verändern einer Metallfläche können Feldstärke und Flussdichte und damit natürlich auch die induzierte Erregerspannung beeinflusst werden. Stromschleifen können je nach Strukturierung des Metallsystems ab 10 mm² Anteile im Fernfeld erzeugen. 3. Das Verändern der Antennenstruktur ist ebenfalls möglich, bringt aber wenig sicheren Erfolg. Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz

14 5. HF-Messungen 5.1. HF-Messungen bei kleinsten Strukturen Das Ausmessen der HF-Magnetfelder oder E-Felder auf der Baugruppe mit Hilfe von Nahfeldsonden bringt wichtige Erkenntnisse über die herrschenden elektromagnetischen Verhältnisse auf der Baugruppe. Für die Suche nach den HF- Quellen einer Störung und der optimalen Gestaltung der notwendigen Gegenmaßnahmen in diesen beschriebenen kleinräumigen Strukturen sind, die mit den großflächigen Messsonden gewonnenen Informationen, oft nicht ausreichend. Mit diesen Sonden werden zu den interessierenden HF-Feldern eines Pins, einer Leitung oder eines Bauteils auch die Felder der benachbarten Pins, Leitungen oder Bauteile gemessen. Je größer der Entwickler einen solchen Fehleranteil in seinen Messungen zuläßt, umso schwieriger wird eine Analyse und umso weiter trennt er sich von einen optimalen EMV-Design. Damit selbst kleine HF-Ströme und HF- Spannungen in mikroelektronischen Baugruppen direkt gemessen werden können, wird ein spezielles Set mit HF- Messwandlern zu entwicklungsbegleitenden Messungen angeboten. Mit dem HF-Stromwandler (HFI 02) und dem HF-Spannungswandler (HFU 02) ist es deutlich leichter für den Ingenieur, die verantwortliche HF-Quelle für die Emission der Baugruppe zu finden und eine EMV-Optimierung vorzunehmen. Die angewandte Messmethode mit den Wandlern ermöglicht, durch ihre hohe Auflösung und des speziellen Messkontakts mit einer Tastspitze eine fehlerfreie Bewertung der HF-Spannung im μm - Bereichen. Messmethodik des HFU Der HFU ist für HF-Spannungsmessungen an IC-Pins, z.b. von Microcontrollern, an Quarzanschlüssen und auf metallischen Konstruktionsteilen konzipiert. Der Spannungswandler wird mit dem GND des Prüflings verbunden. Über den Kontakt der Tastspitze mit den interessierenden Pin nimmt der Entwickler die Spannungsdifferenz zwischen IC-Pin und GND des Prüflings ab. Durch die geringe Koppelkapazität des Wandlers wird die Beeinflussung des Prüflings über die Tastspitze minimiert. Der Wandler koppelt die Eingangsspannung mit einem Übersetzungsverhältnis 5:1 auf den 50 SMB - Ausgang. Über ein geschirmtes Kabel werden die Messwerte an einen Spektrumanalysator oder Oszillografen übertragen. Die Tastspitze mit dem Verbindungskabel zum Wandler arbeitet in einen solchen Messaufbau bis ca. 250 MHz. Bei höheren Frequenzen wird der HFU mit CuL- Draht kurz angeschlossen. Je nach Einsatzfall stehen verschiedene Typen von Spannungswandler für einen Frequenzbereich von 150 khz bis 3 GHz zur Verfügung. Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz

15 Der HFU 02 vom Type A besitzt eine Koppelkapazität von ca. 20 pf. Er empfiehlt sich besonders für Messungen an Oszillator- Pins bzw. anderen hochohmigen Signalen. Dieser Typ wird aufgrund seiner Empfindlichkeit besonders bei den Messungen an Baugruppen der Automobilindustrie eingesetzt. Die Koppelkapazität von ca. 3 nf ermöglicht mit den Typ B stabile Messungen im unteren Frequenzbereich ab 150 khz. Die entscheidenden Vorteile des HFU 02 für den Hardware-Entwickler sind: - die genaue und schnelle Messung Der Entwickler ist in der Lage, HF-Spannungen auf einzelnen Pins eines Microkontrollers oder einzelnen Leitungen aus einem dichten Bündel von Leiterzügen auf der Platine zu bewerten. - die geringe Rückwirkung auf den Prüfling Mit dem HFU 02 können selbst die empfindlichen Quarzanschlüsse kontrolliert werden, ohne dass das Quarzsignal selbst gestört wird. - das Messen von geringen HF-Spannungen Selbst geringste HF-Spannungen mit geringen Pegeln können erfolgreich unter dem Einfluss benachbarter Felder gemessen und bewertet werden HF-Messung auf Datenleitungen Problematisch stellt sich die optimale Gestaltung von Signalleitungen zwischen Baugruppen dar insbesondere dann, wenn die Datenraten im Mbit-Bereich liegen. Ein typisches Beispiel ist die Ansteuerung eines Grafikdisplays. Die Aufgabe für den Entwickler besteht darin, so wenig wie möglich Schirmungsmaterial bei der EMV-Optimierung einzusetzen. Das ist nur durch optimale Dimensionierung von Filtern auf Datenleitungen möglich. Unsere praktischen Erfahrungen bei einer Dimensionierung der Filter auf einer Datenleitung ab einer 10 Mbit Datenrate zeigen, dass nur mit einer genauen Messung die notwendigen EMV-Schirmmaterialien deutlich reduziert werden können. Für die dazu notwendigen Messungen empfiehlt sich der HF-Stromwandler HFI 02. Messmethodik HFI 02 Zur Messung wird ein kleiner Blechwinkel (Zubehör) auf der Prüflingsmasse befestigt und der HF-Stromwandler aufgesteckt. Die zu beurteilende Datenleitung wird über einen maximal 0,45 mm starken CuL-Draht durch den Wandler geführt. Der Wandler transformiert die Spannung auf den 50 SMB - Ausgang. Über ein geschirmtes Kabel werden die Messergebnisse an einen Spektrumanalysator oder Oszillografen übertragen. Jetzt kann die Dimensionierung des Filters beginnen. 15

16 Der Wandler arbeitet im Messbereich von 100 khz bis 3 GHz. Zur Vermeidung von Messfehlern ist in den Wandler eine spezielle Mantelstromdämpfung integriert. Der wohl entscheidende Vorteil beim Einsatz eines HF-Stromwandlers ist die Reduzierung von Schirmungsmaterialien insbesondere bei Produkten, die in großen Stückzahlen gefertigt werden. Der Einsatz von Messwandlern beginnt auf dem Board mit kleinen Strukturen und geringen HF-Strömen. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung werden HF-Stromund HF-Spannungswandler immer mehr für die EMV-Designgestaltung an Bedeutung gewinnen. Ihre geringen Anschaffungskosten und die variablen Einsatzmöglichkeiten versprechen eine schnelle Akzeptanz in den Entwicklungswerkstätten. Nahfeldsonden für Messungen von 30 MHz bis 6 GHz. 16

17 Analysesonden mit einer max. Auflösung von 100µm und Frequenz bis 6GHz. Kontakt LANGER EMV-Technik GmbH Nöhnitzer Hang 31 DE Bannewitz Fon / Fax: / 22 Mail: mail@langer-emv.de Langer EMV-Technik GmbH, Nöthnitzer Hang 31, D Bannewitz