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10-2013

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HF-Praxis 10/2013

Messtechnik Bild 8:

Messtechnik Bild 8: H-Feldmessung 45° Bild 9: IC mit Clockline 0° 400-MHz-TEM-Zelle gebnisse zu reproduzieren und zu dokumentieren. Zudem können verschiedene Modifikationen zur Verringerung von EMV-Emissionen verglichen werden. Dazu ist die Darstellung als räumliche Amplituden-Frequenzcharakteristik der elektrischen und magnetischen Felder geeignet, insbesondere dann, wenn eine IC-Gehäuseform durch spezielle Layout-Vorgaben eingesetzt werden musste. Bei Durchführung von schrittweisen IC-Tests während des Entwicklungsprozesses wird so die EMV-Konformitätsprüfung zeitnah und kostengünstig ohne Überraschungen durchführbar. 4. Beispielmessungen am IC Bei einer Baugruppe mit den Abmaßen von 10 x 5 cm / 4 Lagen wurde in einer abschließenden EMV-Messung bei 120 MHz eine Grenzwertüberschreitung von 24 dB festgestellt (Bild 7). Nach einer intensiven Analyse des Boards wurde das E-Feld des eingebauten ICs als Erregerquelle für die Emission bestimmt. Damit diese Kopplung des E-Feldes auf der Baugruppe unterbrochen wird, musste ein Schirmteil über das IC konstruiert, gefertigt und bestückt werden. Dies verursachte zusätzlichen Aufwand und Kosten. Wenn dem Elektronik-Entwickler die E-Feldauskopplung des IC´s bekannt gewesen wäre, hätte er das Layout und Gehäusedesign seiner Baugruppe am IC schon in der Planungsphase anpassen können. In einem späteren Entwicklungsstand der Baugruppe ist eine solche Maßnahme nicht immer zulässig. Später sind die Platzierungsänderungen aus Gründen der Bau- Bild 10: IC mit Clockline 180° 400-MHz-TEM-Zelle 18 hf-praxis 10/2013

Messtechnik raumeinschränkung, Bauteilgrößen und des zu betreibenden Aufwandes oft nicht mehr möglich. Im Weiteren wurde mit einer E-Nahfeldsonde im definierten Messabstand von 20 mm über dem IC ein Scan durchgeführt. Die Messelektrode der E-Feldsonde Typ RF-E 09 hat eine Abmessung von 10 x 10 mm. Die Messung bestätigt die relativ hohe E-Feldauskopplung von 49 dBµV. Die Messung des IC-Magnetfeldes in 20 mm Abstand ergab im Vergleich zur Komponentenmessung andere kritische Frequenzen (80 und 160 MHz). Das Maximum des Magnetfeldes lag bei 45° und das Minimum bei 135° der IC-Ausrichtung (Bild 8). Der Boardentwickler hat es glücklichen Umständen zu verdanken, dass diese Erregung keine praktischen Probleme bewirkte. TEM-Zellen Messung ( IEC 61967-2 ) IC-Hersteller vergleichen die Felder von IC´s mit Hilfe einer TEM-Zellenmessung. Die TEM-Zelle fasst alle Felder des IC zu einer globalen Vergleichsgröße zusammen. Das IC wird auf einer 10 x 10 cm Leiterkarte (TEM-Cell-Print) angeordnet und kopfüber in der TEM-Zellenöffnung angebracht. Die Leiterkarte kann in 90°-Schritten auf der Öffnung gedreht werden (IC-Ausrichtung). Das IC koppelt in das gegenüberliegende Septum der Zelle. Eine Vergleichsmessung der vier IC-Ausrichtungen mit der TEM-Zelle zeigen die Bilder 9 und 10. Das praxisrelevante E-Feld Problem bei 120 MHz wird hierbei nicht erfasst. Bei 120 MHz sind die gemessenen Werte eher unbedenklich. Bei 40, 80 und 160 MHz werden die höchsten Werte gemessen. Der erzielte Messwert von 40 MHz war mit unserem Praxisbeispiel konform. Die Messwerte bei 80 und 160 MHz zeigten die höchsten Amplituden. Die TEM-Zelle misst das elektrische und magnetische Nahfeld zusammen. Das elektrische Feld koppelt kapazitiv und das magnetische Feld induktiv (Gegeninduktion) in das Septum der TEM-Zelle. Das Prinzip entspricht dem einer E- oder H-Nahfeldsonde. Das Septum bildet mit dem Gehäuse der Zelle die Induktionsschleife der Sonde. Wenn die IC-Stromschleife parallel gerichtet ist, wird bei orthogonaler Ausrichtung keine Spannung induziert. Die kapazitive Kopplung ist für alle Ausrichtungen der Schleife nahezu konstant. Die eingekoppelten Spannungen überlagern sich vorzeichenbehaftet. Deshalb liefern die vier Ausrichtungen des IC in der TEM-Zelle unterschiedliche Ergebnisse. Bei entsprechender Grundausrichtung bewirkt eine 180°-Drehung einen Vorzeichenwechsel in der Spannungsinduktion. Wie sich die eingekoppelten Spannungen aus kapazitiven und induktiven Anteilen zusammensetzen, hängt nicht nur von den jeweiligen Koppelfaktoren, sondern auch von der Vielfalt der IC-Schleifen und den Phasenwinkeln der jeweiligen Spannungszeiger ab. Das IC gibt sein maximales Magnetfeld in 45° Richtung ab. In der TEM-Zelle kann der aber nur in ganzen 90°-Schritten gedreht werden. In unserem Beispiel wird das maximale Magnetfeld nicht erfasst. Aus den TEM-Zellenspektren ist zu erkennen, dass eine Überlagerung von magnetischem und elektrischem Feld vorliegt. Dieses Beispiel zeigt, dass die Ergebnisse der Messung mit der TEM-Zelle für unsere IC-Anwendung zu unscharf sind. Für die Anwendung des IC´s auf der Flachbaugruppe sind aus Sicht gezielter Abhilfemaßnahmen genauere Informationen notwendig. Diese Informationen sind, wie unsere Surface-Scan mit den Nahfeldsonden zeigen, in den elektrischen und magnetischen Nahfeldern vorhanden. 5. Ausblick Für das EMV-Design von Flachbaugruppen ist es notwendig die EMV-Eigenschaften der ICs im Voraus einzubeziehen. IC-Parameter sollten definiert, dokumentiert und für den Entwickler frei zugänglich sein. Der Entwickler wird unter Berücksichtigung der IC-Eigenschaften die steigenden Anforderungen an das Design seiner Flachbaugruppe meistern können. Unser Beispiel zeigt, welche Bedeutung allein die Kenntnisse über die E- und H-Felder des IC für den Entwickler von Flachbaugruppen haben kann. Wobei die Definition eines Grenzwertes für den IC die Ansprüche des Entwicklers an eine EMV-Richtlinie nicht umfassend erfüllen wird. Eine verwirrende Ableitung aus unseren Beispiel wäre die Festlegung: bei 100 MHz ist eine Erregerfeldstärke

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