EMV Mehr Effizienz bei der Baugruppenentstörung In den letzten Jahren wurde das Erreichen der EMV-Ziele bei der Geräte- oder Komponentenentwicklung immer schwieriger. Das trifft vor allem zu, wenn moderne hochintegrierte ICs verwendet werden. Die Ursachen liegen in der immer höheren Integrationsrate und kleineren Strukturbreite von ICs, den höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten und der zunehmenden Komplexität der Elektronikprodukte. Die größten praktischen Probleme treten im Bereich der Störfestigkeit vor allem bei ESD-Prüfungen (Prüfung nach EN 61000-4-2) auf. In der Praxis kann das zum Beispiel eine hochkomplexe Aktor-Baugruppe sein, die über einen High-Speed- Datenbus und einen Mikrocontroller mit Kühlkörper verfügt. Als weiteres Beispiel kann im Bereich der Störemission ein Umrichter eines Elektroautos erhebliche Probleme verursachen. (Bild 1) Die EMV-Analyse an der Elektronik und die nachfolgende EMV-Nacharbeit führen nicht unbedingt zum erhofften Ergebnis. Häufig ist es so, dass trotz Nachbesserung keine merkliche Verbesserung eintritt. Man glaubt oft, dass man schwerwiegende EMV-Probleme mit einem verbesserten Layout der Elektronik und daraus folgend mit einem verbesserten Entwicklungsmuster lösen kann. Es gibt Situationen in denen mehrere Versuche keinen ausreichenden Erfolg bringen. EMV- Nachbesserungen können Konstruktionsänderungen und damit Änderungen an bereits parallel entwickelten Werkzeugen hervorrufen. Je größer und komplexer die Projekte sind und umso mehr elektronische Komponenten miteinander verschaltet sind, Bild 1: Komplexe EMV im Automobil desto schwieriger und langwieriger wird der EMV-Lösungsweg. Oftmals wird zur Lösung von EMV-Problemen extra ein Prototyp gebaut. Dabei verschaltet man mehrere hochkomplexe Komponenten miteinander. In diesem Prototyp wirken dann mehrere schwerwiegende EMV- Probleme gleichzeitig. Sie überdecken sich gegenseitig und sind damit noch schwerer lokalisierbar. An einem Prototyp EMV- Ziele zu erreichen, ist zu spät. Teilweise können die Ursachen der EMV-Probleme nicht gefunden werden, Konstruktionsänderungen ziehen viele weitere Aufwendungen nach sich, der Zeitrahmen der Entwicklung läuft ins uferlose. Autor: Dipl.-Ing. Gunter Langer Geschäftsführer Langer EMV-Technik GmbH Bild 2: Störeinwirkungen, denen der IC in der Praxis ausgesetzt sein kann. 18 HF-Einkaufsführer 2015/2016
EMV Diesen Störgrößen lassen sich konkrete Störschwellen zuordnen. Z.B. können die PLL-Zellen oder Oszillatorzellen eines ICs empfindlich auf das elektrische Pulsfeld einer ESD-Pistole reagieren. Verschlimmert wird die Situation, wenn ein Kühlkörper auf dem IC-Gehäuse aufliegt. Bei sehr empfindlichen ICs genügt eine Spannungsdifferenz zum Kühlkörper von < 100 V, um das IC zum Ausfall zu bringen. Bei einer ESD-Prüfung des späteren Gerätes werden Prüfspannungen von einigen 1000 Volt z.B. an den Kühlkörper angelegt. Trotz Erdung des Kühlkörpers werden schnelle transiente Restspannungen im selben Spannungsbereich entstehen (1000 V). Dadurch wird der IC massiv gestört. Bild 3: Anordnung zur Prüfung der Störfestigkeit von ICs gegen elektrisches Störfeld Um Klarheit über die Eigenschaften des ICs zu bekommen, muss seine Feldstörschwelle gemessen werden. Dazu wird über dem IC eine Elektrode angeordnet (Bild 2). An die Elektrode wird ein ESD-Spannungsimpuls angelegt. Um die ESD-Festigkeit bei Kühlkörperanwendung zu messen, wird der Abstand der Elektrode zum IC-Gehäuse auf 0,5 mm eingestellt. Ein hochempfindlicher IC kann z.B bei 80 Volt ausfallen. Ein robuster IC hält mehreren Wo liegen die Ursachen? Basis für das erfolgreiche Umsetzen einer Entwicklung ist das ingenieurtechnische Vorgehen im Entwicklungsprozess. Dafür werden theoretische und praktische Entwicklungswerkzeuge benötigt. Teils fehlen diese Werkzeuge für die EMV- Entwicklung. EMV-relevante Bauteile wie Steckverbinder und ICs sind in ihrem EMV-Verhalten nicht erforscht. Es existiert von diesen Teilen keine technische Definition relevanter EMV- Parameter. Demzufolge ist kein Dimensionierungsprozess im Rahmen einer EMV-Entwicklung möglich. Heutzutage baut man Bauteile wie Steckverbinder oder ICs in Entwicklungen ein, ohne zu ahnen, welche Katastrophen sie beim EMV- Test des ersten Gerätes auslösen. Wie kann man das Problem lösen? Für die EMV relevanten Bauteile müssen geeignete EMV- Parameter aus den Störmechanismen abgeleitet werden. Anhand zweier praktischer Beispiele werden praxisrelevante Parameter hier im Folgenden abgeleitet. 1. EMV-Parameter für ICs ICs werden einerseits durch Felder beeinflusst, die über das Gehäuse in innere Elektronikstrukturen eindringen, oder anderseits durch Ströme, die aus Leitungsnetzen des Boards über die IC-Pins ins IC-Innere eindringen (Bild 1). Bild 4: Vereinfachte Darstellung des Wirkzusammenhangs eines Elektroantriebs mit Umrichter und Elektromotor. HF-Einkaufsführer 2015/2016 19
