EMV- Dimensionierung von Steckverbinderen gegen Burst und ESD-Störungen

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1 EMV- Dimensionierung von Steckverbinderen gegen Burst und ESD-Störungen von Gunter Langer, LANGER EMV-Technik GmbH Kontakt: 1 Zielstellung Wie müssen Steckverbinder ausgelegt werden, um Störeinkopplungen wie Burst und ESD zu beherrschen? Wie kann die Störfestigkeit von Steckverbindern spezifiziert werden? Welchen Wirkmechanismen folgt die Beeinflussung? Interfacesysteme wie USB, LVDS, Ethernet, CAN,.. daraus abgeleitete Echtzeitsysteme und geräteinterne Signalverbindungen wie Daten / Adressbussysteme usw. besitzen eine bestimmte Resistenz gegenüber Störeinflüssen. Die Schwachstellen in den Signalketten sind die Steckverbinder. Im Beitrag wird beschrieben, welche EMV- Eigenschaften vorliegen müssen, um Störbeeinflussungen zu widerstehen. Jedem Steckverbinder läßt sich eine EMV-Kenngröße zuordnen. Diese Kenngröße ist die Koppelinduktivität. Sie ist eine allgemeingültige Konstante, die in ihrem Wert nur von der Metallkonstruktion des Steckverbinders abhängig ist. Für jede Bauform eines Steckverbinders lässt sich diese Konstante ermitteln. Die verschiedenen Datenübertragungssysteme besitzen auf Grund ihrer unterschiedlichen Schaltschwellen, Störschwellen und Sicherungsmaßnahmen entsprechend unterschiedliche Anforderungen an den Wert dieser Konstante. Wenn sowohl die notwendigen Induktivitätswerte für die Anforderungen und die Induktivitätswerte der infrage kommenden Steckverbinder vorliegen, ist eine zielsichere EMV Dimensionierung möglich. Basis der Anwendung wird eine entsprechende Datensammlung [1] sein, die über einen entsprechenden Zeitraum aufgebaut und ständig ergänzt werden muss. Um eine durchgehende Verwendung zu sichern, müssen in der Datensammlung auch Werte für die typabhängige Störfähigkeit von Störgeneratoren enthalten sein. Diese Zusammenhänge werden am Beispiel eines LVDS-System erläutert 2 Wirkmechanismen Die Beeinflussung von Interface-Systemen erfolgt im wesentlichen in den Steckverbindern. Sie erfolgt über klare physikalische Wirkmechanismen, die den Beeinflussungsvorgang beschreiben. Demzufolge kann man aus ihnen die elektromagnetisch verträgliche Konstruktion der Steckverbinder ableiten. Leider sind heutzutage die Konstruktionsprinzipien nicht an diesen Wirkprinzipen ausgerichtet. Der daraus folgende Stand der Technik sind Steckverbinder mit mangelhaften Eigenschaften in Bezug auf Störfestigkeit und Störaussendung. Für die Störfestigkeit wurde das in Vergangenheit durch entsprechend redundante Elektroniksysteme ausgeglichen. Die Anforderungen an Schnelligkeit und Sicherheit sind gestiegen, so das Steckverbinder mit höherer EMV-Qualität erforderlich sind. Die Beeinflussung von Signalleitungen im Steckverbinder erfolgt nach den Induktionsgesetz (1). u ind = dφ / dt = L di Stör / dt (1) Der magnetische Fluss Φ, der zwischen den Masse- (Schirm-) Kontakten und dem Signalstift hindurchtritt, induziert die Spannung u ind in dem Signalstift. Der Fluss Φ wird vom Störstrom i Stör erzeugt, der vom Kabelmantel kommt und über die Massekontakte des Steckverbinders fließt. Die Induktivität L ist der Parameter für die EMV-Qualität des Steckverbinders. Je dichter das Massekontaktsystem konstruktiv ausgeführt ist, um so geringer ist die Induktivität L und die induzierte Spannung u ind in den Signalstiften. Ziel ist es, die Induktivität so klein zu halten, dass die induzierte Spannung unter der Signalstörschwelle liegt. Wenn der Steckverbinder aus einem vollkommen geschlossenem durchgehenden Metallmantel besteht, ist die Induktivität Null. Die Induktivitätswerte von Elektroniksteckverbindern liegen im Bereich von 1 ph bis 10nH. Der Wert der Induktivität ist fest dem Aufbau der Metallkonstruktion des Steckverbinders verbunden. 1

2 Bild 1 Induktion einer Gleichtaktspannung im symmetrischen Leitungspaar a, b Bild 2 Induktion einer Gegentaktspannung im symmetrischen Leitungspaar a, b Symetrische Leitungspaare ( Bild 1, Bild 2, a, b) besitzen zwei Möglichkeiten der Spannungsinduktion. Eine Gleichtaktspannung Bild 1, Bild 3 und Gleichung (2) wird in beiden Signalstiften a, b gleichermaßen induziert, wenn das Magnetfeld H zwischen ihnen und dem Massekontakt m hindurchtritt. Eine Gegentaktspannung Bild 2, Bild 4 und Gleichung (3) wird zwischen beiden Signalstiften a, b induziert, wenn das Magnetfeld H zwischen die Stifte a, b hindurchtritt. Bild 3 1 Gbit LVDS-System, Gleichtakt Störeinkopplung über einen Steckverbinder mit L COM = 1nH. Der Strom eines 2 kv ESD- Impulses induziert die Spannung u COM = C1, C2. Differenzsignale = C1, C2; M1 = C2-C1; M2 = LVDS Empfänger out. Bild 4 1 Gbit LVDS-System, Gegentakt Störeinkopplung über einen Steckverbinder mit L DIF = 2nH. Der Strom eines 0,5 kv ESD- Impulses induziert die Spannung u DIF = M1 = C2-C1. Differenzsignale = C1, C2; M1 = C2-C1; M2 = LVDS Empfänger out. u ind = u COM = dφ COM /dt = L COM di Stör /dt (2) u ind = u DIF = dφ DIF /dt = L DIF di Stör /dt (3) Die Spannungsinduktion im Steckverbinder wird von der Induktivität L COM und L DIF hervorgerufen. Beide Induktivitätswerte sind für jeden Steckverbindertyp eine konstante Größe, die fest mit seinem konstruktiven Aufbau verbunden ist. Der Anteil des Störgenerators folgt aus seinem di / dt. 3 Die Wirkung der Störgeneratoren 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. 2

3 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: (di / dt) = Û Gen / (R Gen T A ) (4) Das (di / dt) ist proportional der Generatorspannung Û Gen. Durch Division mit der Generatorspannung ergibt sich die Störwirksamkeit k GEN : (di Stör / dt) / Û Gen = 1 / (R Gen T A ) = k GEN (5) Û ind = L k GEN Û Gen (6) 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 erforderlichen Informationen sind aus Datensammlungen abrufbar [ 1]. In Tabelle 1 sind Werte angegeben. Generatotyp R Gen [Ω] T A [ns] k GEN [A/ns kv] k GEN [A/ns kv] Delta aus 1 / R Gen T A aus gemessenem di / dt Burst ,4-75% ESD ,5 +15% Tabelle 1 Berechnete und gemessene Werte für k GEN. Die Bedingungen für die gemessenen Werte: Die ESD- Pistole wurde direkt auf eine Metallfläche aufgesetzt. Der Burstgenerator besaß ein 50 cm langen externen Leitungsstromweg. ESD-Generatoren erzeugen u.u. zusätzlich zum gewünschten Pulsverlauf hochfrequente Einschwingvorgänge im Bereich 2 bis 3 GHz. [2]. Diese Einschwingvorgänge klingen nach wenigen ns ab. Nur sehr schnelle IC können durch diese Vorgänge beeinflusst werden (Core Spannungen bei 1V, Strukturbreiten <100nm). Der LVDS-Empfänger wirkt wie ein Tiefpass (Bild 5 und Bild 6). Er kann nur dem 1 ns Vorgang folgen und schaltet entsprechend den LVDS out. 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 IC besitzt dieser ESD-Generator einen Wert, der etwa doppelt so hoch ist (k GEN ca. 7 A/ns kv). Mit derartigen IC ausgerüstete Geräte reagieren u.u. empfindlicher. Bild 5 Wirkung eines direkt in den Empfängersteckverbinder eingekoppelten 0,2 kv ESD- Impulses auf den LVDS-IC im Signalzustand H Bild 6 Wirkung eines direkt in den Empfängersteckverbinder eingekoppelten 0,2kV ESD- Impulses auf den LVDS-IC im Signalzustand L 3

4 4 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...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 = 0V), 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. 5 Bitfehlerfreie Datenübertragungssysteme 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. Û ind = Û DIF < U schwelle = 360 mv (7) Û ind = Û COM < U Diode = 2,5...5 V 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: L = U schwelle / (k GEN Û Gen ) (8) In Bild 7 und Bild 8 ist die Gleichung (8) für ein LVDS-System dargestellt, dass mit Burst und ESD belastet wird. 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]. RJ45 Stecksystem L DIF [ph] L COM [ph] Buchse Stecker mit Kabelschirmauflage Seckkontakte 0, 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 Bild 8 ist zu entnehmen, dass RJ45 Steckkontakte über den Gegentakteinkoppelpfad ESD-CD Spannungen im Bereich 7...>30 kv und über den Gleichtakteinkoppelpfad 14...>30kV standhalten. Die Buchsen sind wesentlich schlechter. Die Kabelstecher können typabhängig bereits bei < 0,2 kv Burst gestört werden, sie können aber auch >8kV 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. 4

5 Bild 7 Zulässige Induktivität L DIF eines Steckverbinders in Abhängigkeit der Prüfgeneratorspannung für eine Signalschwelle von 360 mv, mit k GEN 1,4 A/ns kv und 3,5 A/ns kv Bild 8 Zulässige Induktivität L COM eines Steckverbinders in Abhängigkeit der Prüfgeneratorspannung für eine Signalschwelle (Begrenzungsspannung Schutzdioden) von 2,5 V, mit k GEN 1,4 A/ns kv und 3,5 A/ns kv Burst 2 kv, mit k GEN 1,4 A/ns kv ESD CD: 6 kv, mit k GEN 3,5 A/ns kv L DIF [ph], Schwelle: 360mV L COM [ph], Schwelle: 2,5V Tabelle 3 : aus Bild 7 und Bild 8 entnommene 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 i.a. 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 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. Bild 9 Berechnete Grenzwerte für HF-Einkopplung in Steckverbinder 5

6 6 Einfluss der Fehlersicherung 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 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 Bild 11 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 Im Bild 10 und Bild 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). Sie werden leitfähig und schließen die Datensignale kurz. Die Zeit der Bitzerstörung steigt mit dem Scheitelwert der Störspannung Tabelle 4. 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. ÛGen [kv] 1 1,5 TZ [ns] 6,8 74 Tabelle 4 Bitzerstörung TZ bei Burst auf einen CAT 5E Kabelstecker 6

7 Bild 12 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. 70ns Bild 13 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 Bei ESD-Einkopplung erzeugen der Impulsverlauf, die Schutzdioden und die Reflexionserscheinungen eine Ausweitung der Bitzerstörung Bild 12 und Bild 13. Die Zerstörbreite ist ebenfalls vom Scheitelwert der Generatorspannung abhängig Bild 14. Das Wirksamwerden der Schutzdioden erhöht sprungartig die Zerstörbreite (Bild 14 zwischen 0,5 und 1 kv Generatorspannung). Bild 14 Bitzerstörbreiten für ein LVDS-System in Abhängigkeit von der ESD-Generatorspannung bei 2nH Steckverbinder-Gegentaktinduktivität. 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 Bild 8. Für Systemdimensionierungen ist die Kenntnis der Bitzerstörbreiten wichtig. Richtwerte für die Zerstörbreiten lassen sich in Datensammlungen parameterabhängig (L DIF, L COM usw.) erfassen. 7 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 500V induzierter Spannung liegen. Der Wirkungsweg der Funktionsstörschwellen verläuft i.a. 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]. 7

8 Die Fehlerschwellen können für Gleich- und Gegentaktbeeinflussung erfasst werden. Eine IC Datensammlung besteht dann aus: -IC-Signalstörschwellen -IC-Funktionsstörschwellen mit Fehlverhalten und Einsatzpegeln. 8 Zusammenfassung In den vorhergehenden Kapiteln wurde die Störmechanismen von Steckverbindern am Beispiel eines LVDS- Interfaces beschrieben. In der Praxis wird versucht, LVDS und RJ45 Stecksysteme zu kombinieren. RJ45 Systene sind für Eternet entwickelt. Dort wird die Wirkung der relativ hohen Gleichtaktinduktivität der RJ45 Stecksysteme durch Magnetkoppler blockiert. Systeme ohne Magnetkoppler werden empfindlicher reagieren. Weiterhin ist die Vorgehensweise auf einfache Datenleitungen übertragbar (D/A-Bus usw.). Diese werden über Board-zu-Board Steckverbinder geführt. Der Störstrom wird,, bevor er in diese Steckverbinder eindringen kann, im Geräteverlauf abgeschwächt. Das kann durch einem Gerätefaktor berücksichtigt werden [3]. Ohne Gerätefaktor kann eine worst case Abschätzung erfolgen. Die Koppelinduktivität eines Board-zu-Board Steckverbinders ist von seiner Masse- und Signalbelegung abhängig [3]. Der Artikel soll Elektronikentwicklern helfen, robuste Gerätekonstruktionen zu schaffen. Der Steckverbinderanwender wird in Zukunft anhand der Koppelinduktivität den EMV-technisch passenden Steckverbinder auswählen können. Steckverbinderentwickler können gezielt passende Steckverbinder entwickeln. Dazu ist es erforderlich, dass für das Anwendungsgebiet die zu erzielende Koppelinduktivität bekannt ist. Beschleunigend auf diesen Prozess wirken die steigenden Anforderungen an Sicherheit und Schnelligkeit der elektronischen Systeme. Literatur: 1. Datensammlung Langer EMV-Technik GmbH 2. Fachzeitschrift ELEKTRONIK Auflage 5/ Firmenschrift Langer EMV-Technik: Steckverbinder Koppelinduktivität, Stand Dezember 2007, 4. Firmenschrift Langer EMV-Technik: EMV-Anforderungen und Prüfverfahren zum Test der Pulsstörfestigkeit von ICs und ASICs 8