Entwicklungsbegleitende Prüfungen und ESD

2. Entwicklungsbegleitende Prüfungen und ESD
Dipl.-Ing. Bernd Körber,
Forschungs- und Transferzentrum e.V. an der
Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH)
Inhalt
2.1
Einleitung
2.2
Berücksichtigung der EMV bei der Entwicklung von Kfz-Komponenten
2.2.1 Überblick
2.2.2 Simulationstechnische Untersuchungen
2.2.3 Entwicklungsbegleitende Meßtechnik
2.2.4 Genormte Komponentenmeßtechnik
2.3
Elektrostatische Entladungen
2.3.1 Entstehung und Wirkung von ESD im Kfz.
2.3.2 Prüfverfahren für Komponenten der Kfz.Elektronik
2.3.3 Schaltungstechnische Maßnahmen zur
Erhöhung der Störfestigkeit von Komponenten gegenüber ESD
2
Entwicklungsbegleitende Prüfungen und ESD
2.1
Einleitung
Im Zuge der ständigen Erweiterung der Funktionalität von elektrischen und vor allem
elektronischen Ausrüstungsteilen des Kfz.. nimmt die Bedeutung der EMV bei der
Qualitätssicherstellung ständig zu. So führen z.B. Miniaturisierung, Verkürzung der
Verarbeitungszeiten in den Steuergeräten, Erhöhung der Empfindlichkeiten von
Sensoren sowie der Einsatz von Datenbussystemen zum verstärkten Auftreten von
EMV-Problemen.
Design
Test
Produktion
Kosten
Techniken
Produktentwicklung (Zeit)
Bild 2.1
Anzahl der möglichen
Techniken zur Beseitigung von EMVProblemen und Verlauf
der relativen Kosten von
der Entwicklung bis zur
Produktion [1]
Die Signalintegrität im Layout einer betreffenden Komponente ist in den meisten Fällen überschaubar und kann vom Entwickler in der Regel schon im ersten Design sichergestellt werden. In den weiteren Phasen des Entwicklungsprozesses kommen
jedoch die komplizierten Mechanismen der Zwischensystem-EMV hinzu. Sowohl die
Störfestigkeit als auch die Störaussendung einer Komponente im Fahrzeug als elektromagnetisches Umfeld sind von einer Vielzahl von Einflußfaktoren abhängig.
Neben der Unterstützung durch EMV-Simulatoren ist der Entwickler deshalb auf
entwicklungsbegleitende meßtechnische Analysemethoden angewiesen, die, wenn
möglich, eine gute Korrelation zu den späteren Bedingungen im Fahrzeug aufweisen
sollten. Im Laufe der Entwicklungsphase nimmt die Anzahl der verfügbaren Hilfsmittel zur Beseitigung von EMV-Problemen ab, während die notwendigen relativen
Kosten exponentiell ansteigen (Bild 2.1). Neben der Vermeidung von unnötigen ReDesigns in der Endphase des Entwicklungsprozesses steht die Reduzierung dieses
Problems zunehmend auch zu Beginn der Entwicklung im Vordergrund, um Zeit und
damit effektiv Kosten einzusparen.
2.2
Berücksichtigung der EMV bei der Entwicklung von Kfz.-Komponenten
2.2.1 Überblick
Die derzeitig verfügbaren simulations- und meßtechnischen Hilfsmittel sowie
deren Anwendung in den einzelnen Phasen einer typischen Produktentwicklung im Kfz. unter EMV-Gesichtspunkten zeigt Bild 2.2.
Unterstützung
durch Simulation
Entwicklungsphase
Messungen
Design
Schaltungsanalyse
IC-Testmethoden
Schaltungs- und
Bauelementeauswahl
PCB-Scanning
PCB-Design-Tools
Direct-PowerInjection
Layout
KomponentenMeßverfahren
Spezielle
3D- EMC-Tools
Komponente
Modul
Modifizierte
KomponentenMeßverfahren
FahrzeugMeßverfahren
Modul im Fahrzeug
Bild 2.2 Simulation und Messung zur Berücksichtigung der EMV im Produktentwicklungsprozeß
Durch diese Systematik wird deutlich, daß umfangreiche Arbeiten zur Berücksichtigung der EMV in der Startphase zu deutlichen Kosteneinsparungen
führen können, da sich die teuren Messungen auf Modul- und Fahrzeugebene
auf ein Minimum reduzieren.
2.2.2 Simulationstechnische Untersuchungen
Ausgehend von der Forderung, sowohl die innere (galvanische, kapazitive, induktive und Wellenkopplung sowie Reflexionserscheinungen) als auch die
äußere EMV (Ab- und Einstrahlung) berücksichtigen zu können, gibt es eine
Vielzahl unterschiedlicher sogenannter EMC-Tools (Bild 2.3), die in den einzelnen Einwicklungsphasen eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu den
Simulationsverfahren wird bei den Expertensystemen keine Berechnung der
elektromagnetischen Vorgänge durchgeführt. Hier überprüft der Anwender
das Layout anhand von EMV-Regeln, welche von ihm bzw. dem Softwarehersteller zu definieren sind.
EMCTools
Expertensysteme
Simulationsverfahren
EMV-Regel-Definition
Hersteller/Anwender
- EMC-Adviser
- DF/em
Compliance
Hersteller
- MENHIR
- EMCConsulter
Feld
Feld/Leitung
Leitung
- Maxwell SI - Quad- InterEminence tools
graph-tools
- MSC/
- Quantic- - PSPICE
EMAS
tools
- STINGRAY
- Contec
- EMCRadia
Workbench
- EMA-3D
- MAFIA
- ANSYS
Bild 2.3
Auswahl zu EMCTools [2]
2.2.3 Entwicklungsbegleitende Meßtechnik
2.2.3.1 Meßtechnik zur Beurteilung der Störemission
IC-Testmethoden
Zur Quantifizierung der Störemission von IC`s werden heute zwei grundsätzliche Meßverfahren eingesetzt:
• Messung der abgestrahlten Störenergie mit Hilfe einer TEM-Zelle, die zu
einer summarischen Beurteilung führt (als SAE-Standard genormt) und
• Messung von Strom und Spannung direkt an den Anschluß-Pin’s des IC
(in Deutschland entwickeltes und für die internationale Normung vorgesehenes Verfahren).
Die in Deutschland entwickelte IC-Testmethode zur Beurteilung der Störaussendung von integrierten Schaltkreisen, insbesondere Mikrocontrollern, ist in
Zusammenarbeit der Halbleiterhersteller sowie der Kraftfahrzeughersteller und
-zulieferindustrie im Rahmen eines VDE-Arbeitskreises entstanden. Das Ver-
fahren beruht auf der Messung der leitungsgebundenen Störungen an den
Anschluß-Pin’s des IC, da bei den heute verwendeten Abmessungen des
Schaltkreisgehäuses in Verbindung mit dem zu analysierenden Frequenzbereich (bis 1 GHz) davon ausgegangen wird, daß diese Störungen gegenüber
der Abstrahlung der Struktur über das Gehäuse dominieren. Aufgrund der
vielfältigen Applikation von Mikrocontrollern in Kfz.-Baugruppen sind zur Beurteilung der Störaussendung zwei Meßmethoden notwendig:
• Messung des Summenstromes in der Masserückleitung bei allen über
das Massesystem geschlossenen Leiterschleifen mit einem 1 Ω- Strommeßtastkopf mit geeigneter Bandbreite, so nahe wie möglich am IC
sowie
• Messung der Störspannung direkt am Pin, wenn die angeschlossenen
Leitungen direkt zur Peripherie der Komponente führen (z.B. Busleitungen). Hier muß auf realitätsnahe Belastung des Ein- bzw. Ausganges bei
gleichzeitiger Anpassung der Meßanordnung geachtet werden. Dieses
Problem wird durch die Verwendung eines 150 Ω- Meßspannungsteilers
nach IEC 801-6 gelöst.
Nach einem Bewertungsschema, welches auf den komponenten- und fahrzeugspezifischen Umgebungsparametern als elektromagnetisches Umfeld
des IC´s basiert, kann somit eine Klassifizierung hinsichtlich der Störemission
vorgenommen werden.
Im Fall der Datenübertragung mit digitaler Bustechnologie kommen im Kfz.
vorwiegend Systeme mit symmetrischer Signalübertragung zum Einsatz. Beim
CAN-Bus werden dazu zwei Busleitungen (CAN_H und CAN_L) genutzt,
wobei die Differenz der beiden Pegel als Informationsträger dient. An die eingesetzten Transceiver werden hohe Anforderungen bezüglich der Symmetrieeigenschaften der Buspegel gestellt, da diese wesentlichen Einfluß auf die
gestrahlte Störemission des Bussystems im Fahrzeug haben.
Durch Messung und entsprechender Bewertung der Buspegel an einer
konzentrierten Busnachbildung kann schon in der frühen Entwicklungsphase
eine Beurteilung der Transceiver hinsichtlich ihrer Störemissioneigenschaften
erfolgen. Bild 2.4 zeigt einen möglichen Meßaufbau für Low-Speed-CANTransceiver.
DSO
R2
50
C2
A
B
560
Transceiver
C3
560
R1
C1
Bild 2.4
EMI-Messung an
Low-Speed-CANTransceivern
Bei guten Symmetrieeigenschaften der Transceiver ergibt die Addition beider
Buspegel einen gegen 0 V tendierenden Spannungswert, was zu einer Minimierung der Störemission führt. Im Bild 2.5 ist die Addition der Buspegel für
eine Auswahl von Low-Speed-Transceivern dargestellt. Die zugehörigen
Spektren zeigt Bild 2.6. Die Ergebnisse belegen Unterschiede von bis zu 10
dB im Spektrum.
7
EMI Zeitverlauf
6,5
TC A
TC B
6
TC C
TC D
U add [V]
5,5
Bild 2.5
Störemission im
Zeitverlauf
5
4,5
4
Uadd = UCAN_High + UCAN_Low
3,5
3
0
10
20
30
40
50
(Addition beider Kanäle
im DSO)
[µs]
30
EMI Spektrum
20
TC A
TC B
10
FFT {U add } [dBm]
TC C
0
TC D
-10
-20
-30
-40
-50
-60
0
1
2
3
4
5
Bild 2.6
Spektrum der
Störemission
(FFT von Uadd durch
DSO mit HanningWindow)
[MHz]
Das PCB-Scanning
Die verschiedenen angewendeten Techniken des PCB-Scanning dienen der
Beurteilung der elektromagnetischen Abstrahlung auf Layout-Ebene.
Die einfachste Methode besteht in der Verwendung von speziellen Nahfeldsonden für das elektrische bzw. magnetische Feld, die in Verbindung mit
einem angeschlossenen Spektrumanalysator oder Meßempfänger das Aufspüren von „Strahlungsquellen“ auf dem PCB erlauben. Die Nachteile dieser
Methode sind in der schlechten Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse
aufgrund der Positionierung der Sonde von Hand sowie in auftretenden
Rückwirkungen auf das Meßobjekt durch die Sondengeometrie zu sehen.
Weiterentwickelte Verfahren beruhen auf der Messung der Abstrahlung in
festgelegten Gitterpunkten über dem PCB, womit eine eindeutige räumliche
Zuordnung der Meßergebnisse gegeben ist. Dazu übernimmt ein Steuerrech-
ner mit entsprechender Software die Positionierung der Sonde, die räumliche
Zuordnung sowie die graphische Aufbereitung der Meßergebnisse. Abhängig
vom Sensorprinzip, ist zwischen induktiven und kapazitiven Scan-Verfahren
zu unterschieden.
Bei den induktiven Verfahren wird das durch die Ströme auf dem PCB hervorgerufene Magnetfeld mit Hilfe von kleinen Loop-Antennen erfaßt. Bei
Verwendung von feststehenden, im Raster angeordneten Sensoren (Multi-LoopScanning) wird das Abstrahlverhalten in einer Ebene mit feststehendem Abstand zum PCB gemessen. Zu diesem Zweck ist während des Meßvorganges
jeweils ein Sensor aktiv geschaltet. Der Nachteil dieser Methode besteht in
der Gefahr des Übersprechens auf benachbarte Sensoren im Raster sowie in
dem je nach technischer Realisierung feststehenden Sondenabstand zum
Meßobjekt.
Bei den Single-Loop-Verfahren wird ein Sensor automatisch über dem PCB in
einer (2 D- Scanning) bzw. zwei Ebenen (3 D- Scanning) positioniert. Durch
die Verwendung von nur einer Sonde verringert sich die Rückwirkung auf die
Platine, und es entfällt die Gefahr des Übersprechens. Somit kann das Raster
zur Erhöhung der Selektivität der Messung enger gewählt werden. Durch die
Messung der Feldverteilung in der dritten Dimension beim 3 D- Scanning ist
es möglich, ausgedehnte Bauteile genauer zu untersuchen.
Bei Verwendung von kapazitiven Sensoren (meist Monopole oder Flächensensoren) ist aufgrund der kleinen Bauform eine größere Selektivität der Messung gegenüber induktiven Sensoren erreichbar. Die kompakte Bauform begünstigt die Realisierung einer hohen Bandbreite, hat jedoch eine Verringerung der Empfindlichkeit des Sensors zur Folge, da diese direkt proportional
von der dem Feld zugewandten Sensorfläche abhängt. Die praktische
Realisierung stellt somit immer einen Kompromiß zwischen Selektivität und
Empfindlichkeit der Messung dar. Abhängig von der Meßimpedanz, kann mit
kapazitiven Sensoren sowohl das elektrische Feld (bei niederohmigem Abschluß z.B. durch einen Spektrumanalysator mit 50 Ω) bzw. bei hochohmiger
Meßimpedanz die zeitliche Ableitung der elektrischen Feldstärke gemessen
werden.
Alle PCB-Scanning-Verfahren erlauben nur eine qualitative Aussage über das
abgestrahlte Störfeld, da sowohl die geometrischen Verhältnisse des PCB mit
den darauf befindlichen Bauelementen als auch die verwendete Sonde selbst
einen erheblichen Einfluß auf die Charakteristik des erfaßten Nahfeldes haben. Durch eine mögliche Kalibrierung stellen die Meßverfahren jedoch ein
wirksames Hilfsmittel bei der Optimierung des Abstrahlverhaltens einer Komponente auf Layout-Ebene dar.
2.2.3.2 Meßtechnik zur Beurteilung der Störfestigkeit
Die Direct-Power-Injection-Methode
Die Direct-Power-Injection-Methode dient ebenfalls der Beurteilung einer
Komponente im Entwicklungstadium der Layout-Ebene. Hier werden die Einbzw. Ausgänge direkt mit einer hochfrequenten Spannung beaufschlagt, welche die eingekoppelten Störungen durch externe Felder in den Kabelbaum
nachbildet und die Systemreaktion überprüft. Ausgehend von Vorgabewerten
der Störgröße, welche aus Korrelationsbetrachtungen zu Komponenten- und
Fahrzeugmessungen abgeleitet sind, kann somit der Aufwand von Messungen
auf diesen Ebenen minimiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Eliminierung von Einflüssen durch unterschiedliche Koppelfaktoren bei den einzelnen Komponententestmethoden.
Das Bild 2.7 zeigt als Beispiele die Anwendung des DPI-Verfahrens zur
mittlung der Störfestigkeit eines High-Speed-CAN-Bussystems.
a)
Er-
b)
Bild 2.7
Testplatinensystem
für DPI-Messungen an
High-Speed-CANBussysteme
a) Transceiverplatine
b) Hauptplatine
(Darstellung jeweils
ohne flächige Masse)
Das im Layout-Beispiel dargestellte Testplatinensystem ist für reproduzierbare
DPI-Messungen bis zu einer Frequenz von ca. 250 MHz einsetzbar und erlaubt die getrennte Beurteilung der EMV-Eigenschaften der in der
physischen Schicht 1 der CAN-Busapplikation eingesetzten elektrischen und elektronischen Bauelemente wie Gleichtaktdrossel und Transceiver (Bilder 2.8
und 2.9).
4,5
4
DPI-Messung
Ab.-Knoten (2)
3,5
Pnetto in W
3
2,5
2
1,5
TC A, CW
TC B, CW
1
TC A, AM 90 %, 5 kHz
0,5
TC B, AM 90 %, 5 kHz
0
1
10
100
1000
f in MHz
Bild 2.8
DPI-Messung mit
verschiedenen
High-SpeedTransceivern
(mit und ohne
Modulation der
Störgröße)
4,5
4
DPI-Messung
Transceiver A
AM 90 % 5 kHz
Ab.-Knoten (2)
3,5
Pnetto in W
3
2,5
2
ohne Drossel
Bild 2.9
DPI-Messung mit
verschiedenen
Gleichtaktdrosseln
HSt. A, 11 µH
1,5
HSt. A, 25 µH
1
HSt. B, 25 µH
HSt. A, 51 µH
0,5
HSt. B, 51 µH
0
1
10
100
f in MHz
1000
Beurteilung von Filterschaltungen durch Dämpfungsmessungen auf dem
PCB
Die Beurteilung von Filterschaltungen auf dem PCB beruht prinzipiell auf der
Direct-Power-Injection-Methode. Dabei steht jedoch die Analyse der Wirkung
der eingesetzten Filterbauelemete bei hochfreqenten Störungen im Vordergrund. Unter diesen Randbedingungen haben die realen Eigenschaften der
verwendeten Bauelemente sowie die parasitären Kopplungen auf dem PCB
einen großen Einfluß auf die Wirksamkeit der Filterschaltung. Durch meßtechnische Optimierung des Layoutes mit den entsprechenden Schutzelementen kann schon vor der Bestückung mit speziellen ASIC`s eine Vorauswahl
getroffen werden.
Bild 2.10 zeigt am Beispiel einer Schutzbeschaltung mit einem Abblockkondensator die induktive Wirkung von Zuleitungen im Layout eines PCB. Im Idealfall wird der Kondensator so nahe wie möglich an der Peripherie plaziert. Bei
einem angenommenen Wellenwiderstand der Zuleitungen von ca. 100 Ω zeigt
die Messung der Eingangsimpedanz, daß die gewünschte Fehlanpassung der
Störung über einen weiten Frequenzbereich hinreichend gewährleistet ist
(Bild 2.11, Kurve a).
Z
L parasitär
i,Störquelle
≈
Z
Z
C Filter
e,IC
Peripherie der Komponente
10000
a
1000
b
[Ohm]
c
100
10
1
0,1
0,1
1
10
[MHz]
100
1000
Bild 2.10
Einfache Filterschaltung mit
Kondensator
Bild 2.11
Gemessene Eingangsimpedanz |Z| der Filterschaltung nach Bild 2.10,
a: Kondensator direkt an
der Peripherie, b: Kondensator ungünstig plaziert und
c: Plazierung des Kondensators und Leiterbahnführung ungünstig
Mit steigender Frequenz der Störung erhöht sich der induktive Anteil der Leitung von der Peripherie der Komponente bis zum Abblockkondensator aufgrund ungünstiger Leiterbahnführung. Dadurch ist die Fehlanpassung der Störung vor allem im Bereich von ca. 100 MHz nicht mehr gegeben (Bild 2.11,
Kurven b und c).
Den Einfluß der Bauelementeinduktivität des Abblockkondensators sowie der
parasitären Kopplungen im Bereich der Filterschaltung im Layout einer Komponente zeigen die Dämpfungsmessungen im Bild 2.12.
0
-5
-10
C = 10 nF
-15
C = 20 nF
[dB]
-20
C = 100 nF
-25
-30
-35
-40
-45
-50
0,1
1
10
100
1000
Bild 2.12
Gemessene Dämpfungswirkung eines
Abblockkondensators unter dem
Einfluß parasitärer
Schaltelemente auf
dem PCB einer
Komponente
[MHz]
Aufgrund dieser Messung kann der Entwickler verschiedene Bauelemente
und Layout-Varianten auf ihre Wirksamkeit hin überprüfen.
Beim Multi-Layer-Aufbau des PCB werden die inneren Schichten bevorzugt
als Schaltungsmasse bzw. Versorgungsspannung verwendet. Dieser Aufbau
vermeidet unter anderem unnötig lange Leiterbahnzüge zur Masseanbindung
von Schutz- bzw. Entstörbauteilen. Die Gestaltung des in Bild 2.13 und Bild
2.14 mit C1 bezeichneten Versorgungsspannungs-Layer hat starken Einfluß
auf die Überkopplung von Störungen bei Leiterbahnen auf den Randschichten
(C3, C4 und C5). Im Bild 2.13 ist dieser Leiter in seiner Ausdehnung verringert, welches einer Reduzierung der Layer-Fläche infolge von Durchkontaktierungen anderer Schichten entspricht.
Bild 2.13 Multi-Layer-Struktur
Testplatine 3
Bild 2.14 Multi-Layer-Struktur
Testplatine 4
Eine Simulation der Überkopplung einer Störspannung mit Us = 10 V vom Leiter C4 auf die Leiter C3 und C5 bei Abschluß aller Leiter mit R = 5 kΩ verdeutlicht diesen Zusammenhang (Bild 2.15).
6
5
u (C 3, TP 3)
u (C 3, TP 4)
[V]
4
u (C 5, TP 3)
u (C 5, TP 4)
3
2
1
0
0,1
1
10
100
1000
[MHz]
Bild 2.15
Überkopplungen in
Multi-LayerStrukturen nach
den Bildern 2.13
und 2.14
(Simulation)
Die ständig wechselnde Geometrie der Leiteranordung in einer Multi-LayerStruktur hat unüberschaubare Kopplungen auf dem PCB zur Folge. Hier führt
eine direkte Messung der Filterdämpfung in der ersten Phase des LayoutDesigns zum Aufspüren von Schwachstellen, welche die Störfestigkeit der
Komponente beeinträchtigen (Bild 2.16 und Bild 2.17).
0
-5
[dB]
-10
-15
Ausgangszustand
-20
lokale Optimierung
-25
-30
-35
-40
-45
-50
0
20
40
60
80
100
120
[MHz]
Bild 2.16
Messung der Filterdämpfung einer
Komponente auf
dem PCB in der
LayoutEntwicklungsphase
300
250
[V/m]
200
150
Ausgangszustand
100
lokale Optimierung
50
0
0
20
40
60
[MHz]
80
100
120
Bild 2.17
Grenzfeldstärke der
Komponente aus
Bild 2.16 gegenüber
einem externen elektrischen Feld
(Stripline-Messung)
2.2.4 Genormte Komponentenmeßtechnik
Die aus wirtschaftlichen und technischen Gründen entwickelten Komponenten- Meßverfahren bedürfen einer Korrelation zur entsprechenden Fahrzeugmessung. Dieser teilweise nur schlecht oder ungenügend vorhandene
Zusammenhang muß durch die Erfahrungen des Anwenders mit der Meßmethode ausgeglichen werden.
Im Hinblick auf die meßtechnische Überprüfung der EMV-Eigenschaften bezüglich Störemission und Störfestigkeit werden gefordert:
Störung
Leitungsgebunden
Feldgebunden
ESD
Störfestigkeit
Störaussendung
X
X
X
X
X
X
verschiedene Prüfvorschriften für
Komponenten
Gesamtfahrzeug
Bild 2.18
Meßtechnische
Überprüfung der
EMV-Anforderungen im Kfz.
Die Meßverfahren basieren auf folgenden Normen:
Leitungsgebundene
Störungen:
Impulse:
DIN 40 839
ISO 7637
Funkstörspannungen:
DIN VDE 0879
CISPR 25
Feldgebundene
Störungen:
EMV-Kfz.-RL 95/ 54 EG
DIN ISO 11 451
DIN ISO 11 452
CISPR 12, CISPR 25
ESD:
ISO/TR 10 605
Bild 2.19
EMV-Normenübersicht für Kfz.Komponenten
Im Gegensatz zu den eindeutigen Festlegungen für leitungsgebundene Störungen kann der Anwender bei den Testmethoden für externe Störfelder das
Verfahren auswählen, welches für sein Produkt die beste Korrelation zur
Fahrzeugmessung beinhaltet.
Die wichtigsten gegenwärtig verwendeten Komponenten-Meßverfahren sind
nachfolgend im Tabelle 2.1 getrennt nach Störfestigkeit und Störaussendung
aufgeführt.
Störfestigkeit gegenüber:
Meßverfahren
Störaussendung von:
Meßverfahren
bei leitungsgebundenen Störungen:
pulsförmigen und transienten
Störenergien auf den Versorgungs-,
Signal- und Datenleitungen
Störimpulsgenerator,
galvanische bzw. kapazitive
Einkopplung (kap. Koppelzange)
pulsförmigen und transienten
Störspannungen auf den
Versorgungsleitungen (DC-Motoren,
Hupen, Schalter,...)
Messung mit DSO an der
Bordnetznachbildung
kontinuierlicher Störspannung
(Funkstörspannung) an der
Bordnetznachbildung
Frequenzen: 0,15 bis 108 MHz
Messung mit Meßempfänger/
Spektrumanalysator an der
Bordnetznachbildung im
Schirmraum
elektromagnetischen Feldern,
breit- und schmalbandig
Frequenzen:
10 kHz bis 1000 MHz
Messung mit:
• breitbandigen Antennen im
Absorberraum
• TEM-Zelle
• (Stripline im Absorber- oder
Schirmraum)
bei strahlungsgebundenen Störungen:
elektromagnetischen Feldern (Radar, Felderzeugung mit:
Rundfunk- und Fernsehsender,...)
• breitbandigen Antennen im
Frequenzen: 1 bis 1000 MHz
Absorberraum (bis 18 GHz)
• TEM-Zelle (bis 200 MHz)
gepulsten elektrischen Feldern
• Stripline im Absorber- oder
(GSM-Signale, sonstiger
Schirmraum (bis 400 MHz)
Mobilfunk)
• BCI im Schirmraum
Frequenzen: jeweils f Nutz
(bis 400 MHz)
bei ESD:
Entladung statischer Elektrizität auf
Gehäuse und Anschluß-Pins
ESD-Simulator
Tabelle 2.1 Übersicht zu Prüfverfahren der Komponentenmeßtechnik
2.3
Elektrostatische Entladungen
2.3.1 Entstehung und Wirkung von ESD im Kfz.
Die elektrostatische Entladung ist die Folge der Überschreitung der Durchschlagsfeldstärke eines durch Ladungstrennung aufgeladenen Gegenstandes
bzw. des Menschen gegen ein Bezugspotential. Diese Durchschlagsfeldstärke, welche unter anderem vom Abstand zu Teilen mit anderem Potential, von
der Luftfeuchtigkeit und vom Material abhängt, bestimmt die maximale Aufladespannung. Sie liegt beim Menschen in der Regel zwischen 10 bis 15 kV,
kann aber bei ungünstigen Bedingungen einen Wert bis zu 25 kV annehmen.
Die Materialeigenschaften entscheiden ebenfalls über die Polarität der
Ladespannung. Die schlagartige Entladung kann dabei zu Anstiegszeiten im
Stromverlauf von tr < 100 ps bis tr ≈ 5 ns bei Amplituden im Bereich von 10 bis
200 A sowie zur Abstrahlung transienter elektromagnetischer Felder führen
[3].
Für den Menschen wird als Richtwert eine Kapazität von 100-500 pF gegen
Erde angegeben [4]. Mit einem Widerstandswert im kΩ-Bereich bei Entladung
der statischen Elektrizität leitet sich das sogenannte HBM (engl. Human Body
Model) ab. Das elektrische Ersatzschaltbild dieses Modells wird durch eine RC- Kombination nach Bild 2.20 mit C = 150 pF und R= 2000 Ω gebildet. Die
bei der Entladung auftretende Induktivität liegt im nH-Bereich und findet keine
Berücksichtigung.
Störquelle
i
C
Störsenke
R
u
C
Isolator
Elektron.
Gerät
Bild 2.20
Ersatzschaltbild für die elektrostatische Entladung eines
Menschen nach dem HBM [5]
In Verbindung mit Kraftfahrzeugen ist von zwei Konstellationen auszugehen,
welche zu einer elektrostatischen Entladung führen:
• Entladung einer „aufgeladenen“ Person im Innenraum des Kfz. beim Berühren von Bedienungselementen oder Karosserieteilen die ein anderes
Spannungspotential besitzen und
• Entladung aufgeladener Teile des Fahrzeuges über den Menschen,
wenn dieser auf dem Erdboden steht und diese Teile berührt.
Die Personenentladung auf Teile des Fahrzeuges berücksichtigt das HBM.
Im zweiten Fall führen elektrostatische Aufladungen des Fahrzeuges zu
Potentialen bis 3 kV gegen Erde. Werden kritische Werte für den Ableitwiderstand der Gummimischung der Fahrzeugbereifung nicht überschritten, fließen
diese Ladungen im Stillstand ab. Problematisch ist das Aufladen von Fahrzeugteilen, die keine ausreichende elektrische Verbindung mit der Karosserie
besitzen. In diesem Fall erfolgt kein allmählicher Ladungsausgleich des aufgeladenen Teiles zur Erde, wie das bei der Fahrzeugkarosserie der Fall ist. Die
auftretende Funkenbildung bei der Entladung kann bei Kraftfahrzeugen unter
Umständen zur Entzündung von explosiven Gasgemischen führen.
Die beschriebenen ESD-Quellen können dabei folgende Bedrohungen für Elektronikkomponenten hervorrufen [4]:
• direkte Störstromeinspeisung durch den fließenden Entladestrom und
• Störungen durch die Koronaeffekte und die Abstrahlung eines elektromagnetischen Störfeldes.
Bei der Prüfung der elektrostatischen Entladung des Menschen über Teile des
Kfz. wird vom Human-Body-Modell ausgegangen. Für die Entladung des
Kraftfahrzeuges über den Menschen oder andere Teile gegen das Erdpotential existieren noch keine eindeutigen Modelle, welche die dabei auftretenden
Freiheitsgrade berücksichtigen.
2.3.2 Prüfverfahren für Komponenten der Kfz.-Elektronik
2.3.2.1 Prüfaufbau und Durchführung der Prüfung
Die Basis für den Prüfaufbau sowie die Durchführung von Immunitätstests von
Fahrzeugkomponenten gegenüber der Entladung statischer Elektrizität bildet
die Norm ISO/TR 10605. Den prinzipiellen Aufbau für Komponententests im
Labor zeigt Bild 2.21.
Zur Durchführung der Prüfung wird zunächst in einem Prüfplan festgelegt,
welche Komponenten zu prüfen sind. Dabei sind nur die zu berücksichtigen,
die von den Insassen im Fahrzeug berührt werden können (z.B. Bedienungselemente). Weiterhin sind die genauen Punkte für das Aufsetzen des Simulators, die Anzahl der Entladungen (mindestens 3 positive und 3 negative pro
Entladepunkt) sowie die Prüfschärfegrade zu bestimmen. Ist der Prüfling im
Fahrzeug isoliert von der Karosserie eingebaut, so wird im Labortest zwischen
ihm und der geerdeten Bezugsmasseplatte ein Isolator plaziert.
Batterie
ESDSimulator
BordnetzNachbildung
BezugsMasseplatte
DUT
Masseband
ESDStromversorgung
Isolation
(falls notwendig)
Bild 2.21
Prüfaufbau für ESD an Komponenten im Labor nach ISO/TR
10605 [6]
Für ESD-Tests am Fahrzeug gelten prinzipiell die gleichen Festlegungen wie
die oben genannten. Den prinzipiellen Prüfaufbau zeigt Bild 2.22.
DUT
ESD-Simulator
Bild 2.22
Prüfaufbau für ESD an
Komponenten im Fahrzeug nach ISO/TR
10605 [6]
Bei der Beaufschlagung der Oberfläche des Prüflings mit dem Störimpuls
werden zwei Varianten unterschieden:
1. Kontaktentladung: direktes Aufsetzen der Prüfspitze bei metallischen
Teilen des Gehäuses und
2. Luftentladung: langsame Annäherung der Prüfspitze bis zur Entladung
bei nichtmetallischen Gehäuseteilen.
In dem Fall der Simulation der Bedrohung elektronischer Komponenten durch
ESD in Folge des sogenannten „Packaging and Handling“ wird direkt auf die
Anschluß-Pin’s der Komponente entladen (siehe Bild 2.23).
ESD-Simulator
DUT
Stromversorgung
Simulator
Masseband
Antistatische
Matte
Bezugsmasseplatte
(falls erforderlich)
Bild 2.24
Prüfaufbau für ESD an
Komponenten im
Labor, Packaging and
Handling nach ISO/TR
10605 [6]
2.3.2.2 ESD-Simulator mit Entladenetzwerk
Der ESD- Simulator mit seiner Stromversorgung ist nach dem Prinzip des
Human-Body-Modells (siehe Bild 2.13) aufgebaut. Dementsprechend sind die
Entladekreise nach Bild 2.25 zu verwenden.
2000 Ω
Entladespitze
330 pF
a)
2000 Ω
150 pF
b)
Entladespitze
Bild 2.25
Entladekreise für den ESDSimulator,
a) für Laboraufbau bzw. Tests
innerhalb des Fahrzeugs,
b) Tests außerhalb des Fahrzeugs
Der Simulator erzeugt einen Spannungsverlauf mit Amplituden im Bereich von
-25 kV bis + 25 kV, der einen Stromimpuls gemäß Bild 2.26 zur Folge hat.
I
Ip1
tr <= 5 ns
90 % Ip1
t1 = 30 ns
t2 = RC
Ip2
Bild 2.26
Geforderter Stromimpuls des ESDSimulators nach
ISO/TR 10605 [6]
37 % Ip2
10 % Ip1
tr
t1
t2
t
Zur Überprüfung des ESD-Simulators wird ein spezieller Meßwertaufnehmer
eingesetzt, mit dem der Stromimpuls aufgenommen und mittels eines Oszilloskops gemessen werden kann. Zur exakten Kalibrierung des Simulators ist
gefordert, daß das Oszilloskop über eine Mindestbandbreite von 1 GHz bzw.
eine Mindestabtastrate von 2 GS/s verfügt. Entsprechend neuester Empfehlungen des ISO-Entwurfs soll für den zu verwendenden Meßwertaufnehmer
der in der IEC 1000-4-2 (DIN EN 61000-4-2) [7] beschriebene Aufbau verwendet werden (Bilder 2.27 und 2.28).
Bild 2.27
Meßanordnung zum
Nachweis des Stromimpulses des ESDSimulators [7]
Bild 2.28
Meßwertaufnehmer
zum Nachweis des
Stromimpulses des
ESD-Simulators [7]
10
8
Anstiegszeit = 0,7 ns
[A]
6
4
2
0
-2
0
100
200
300
400
500
[ns]
600
700
800
900
1000
Bild 2.29
Beispiel eines gemessenen Stromimpulses
mit 330 pF, 2000 Ω
Entladenetzwerk und
2 kV Ladespannung
Im Vergleich zu dem bei IEC genormten Entladenetzwerk (150 pF, 330 Ω)
führt die Entladung zu geringeren Amplituden, jedoch größeren Zeitkonstanten des Entladestromverlaufes (Bild 2.29).
2.3.3 Schaltungstechnische Maßnahmen zur Erhöhung der Störfestigkeit von
Komponenten gegenüber ESD
Neben organisatorischen (ESD-gerechte Arbeitsplatzgestaltung) und technologischen Schutzmaßnahmen (Einhaltung technologischer Parameter wie
Schichtdicke, Diffusionstiefe,...) müssen auch die konstruktive und schatungstechnische Realisierung von Komponenten in die Prophylaxe zur Vermeidung
von Störungen durch elektrostatische Entladungen einbezogen werden.
Die Ursache für die Zerstörung von Halbleiterbauelementen ist vordergründig
in folgenden Fehlermechanismen zu sehen:
• Fehler durch induzierte Spannungen, welche vorwiegend bei MOSTechnologien auftreten und dabei einen dielektrischen Durchbruch zur
Folge haben,
• durch Ströme oberhalb von 2 bis 5 A verursachte thermische Durchbrüche, die vor allem bei bipolaren Halbleiterbauelementen auftreten und
• das Aufschmelzen von Metallisierungen.
Teilweise führt dabei eine einmalige Belastung der Bauelemente nicht zur
vollständigen Zerstörung bzw. markanten Fehlfunktion. Durch die damit ver-
bundene Schädigung, vor allem auch durch ESD-Impulse unterhalb der
Schädigungsschwelle, treten die Ausfälle aufgrund der Degradation zu einem
späteren Zeitpunkt auf.
Die für eine elektrostatische Entladung charakteristische große Spitzenspannung im kV-Bereich führt, wie erwähnt, zu Zerstörungen bei Halbleiterbauelementen (Durchschlag von PN-Übergängen). Diese besitzen eine Durchschlagsfestigkeit von bis zu 2 kV kurzzeitige Störspannung an deren Anschlüssen. In Tabelle 2.2 sind charakteristische Werte für die Durchschlagsfestigkeit von verschiedenen Halbleiterbauelementen angegeben.
Halbleitertyp
V-MOS
MOSFET
EPROM
J-FET
OPV (FET)
OPV (bipolar)
CMOS
Schottky-Dioden
Schottky-TTL
Transistoren (bipolar)
Thyristoren
Zerstörfstigkeit [V]
80...1800
100...200
100...500
140...1600
150...500
190...2500
250...2000
300...3000
300...2500
380...7000
680...2500
Tabelle 2.2 Zerstörfestigkeit von Halbleiterbauelementen gegenüber ESD [8]
(Auswahl)
Zur Verringerung der extern auftretenden ESD-Spannung auf einen für Halbleiter ungefährlichen Pegel können beispielsweise folgende schaltungstechnischen Varianten eingesetzt werden:
• Kapazitive Spannungsteiler (wenn möglich, in Verbindung mit HFEntstörung realisiert),
• Einbau von definierten Funkenstrecken auf Bauteilebene (Degradation
beachten!) und die
• Verwendung von speziellen ESD-Varistoren (sehr kurze Ansprechzeit).
Daneben sollte selbstverständlich die erste Maßnahme die Auswahl möglichst
unempfindlicher Bauelemente sein, um die Kosten für nachträgliche Schaltungsmaßnahmen zu minimieren.
2.4
Literatur
[1]
Ott, H.: Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd ed. John Wiley & Sons, 1988, p. 6.
[2]
Kaiser, P.;Weininger, R.: Analytische Hilfsmittel für eine „Entwicklungsbegleitende EMV“. Tagungsband zum Fachseminar EMV in der Automobiltechnik 1995.
[3]
Frei, S.; Pommerenke, D.: Wirkung von transienten Feldern der ESD auf digitale Systeme.5. Internationale Fachmesse und Kongreß für Elektromagnetische Verträglichkeit. Karlsruhe 1996. Veröffentlicht in: Schmeer, H.R.; EMV
1996. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag GmbH, S. 163-170.
[4]
Gonschorek, K.H.; Singer, H.: Elektromagnetische Verträglichkeit.
Stuttgart: B.G. Teubner, 1992.
Sperling, D.: Kraftfahrzeugelektronik. Berlin: Verlag Technik GmbH, 1991.
[5]
[6]
ISO/TR 10 605. Road vehicles- Electrical disturbance from electrostatic
discharges (Entwurf).
[7]
IEC 1000-4-2 (DIN EN 6100-4-2) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV),
Teil 4:Prüf- und Meßverfahren, Hauptabschnitt 2: Prüfung der Störfestigkeit
gegen die Entladung statischer Elektrizität.
[8]
Habiger, E.: Elektromagnetische Verträglichkeit. Heidelberg: Hüthig Buch Verlag GmbH, 1992.
[9]
Philips Semiconductors: Datenblatt TJA1053.