DE10151824B4 - Verfahren zur Ermittlung der elektromagnetischen Störaussendung einer Elektronikbaugruppe - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der elektromagnetischen Störaussendung einer Elektronikbaugruppe unter Verwendung eines Spektrumanalysators, der die gemessenen Frequenzanteile der Störaussendung analysiert, dadurch gekennzeichnet, dass die – durch die zu untersuchende Elektronikbaugruppe (1) in elektrischer und/oder magnetischer Verkopplung mit einem metallischen System, welches aus der Elektronikbaugruppe (1) selbst, den angeschlossenen Kabeln (2) und den in unmittelbarer Nähe befindlichen Metallteilen, wie Gehäuse (3), Schirmbleche (4) usw. besteht – erzeugten HF-Felder in Form der in die Kabel (2) eingespeisten und die Störaussendung verursachenden Erregerströme i_err dadurch gemessen und bewertet werden, dass die Erregerströme i_err auf eine GND-Platte (5) kapazitiv kurzgeschlossen (7) werden und ihre Messung mittels eines HF-Strom-Messfühlers (6) erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft die Ermittlung und Optimierung der elektromagnetischen Störaussendung eines Prüflings, beispielsweise einer Elektronikbaugruppe.
• Bei der elektromagnetischen Störaussendung einer Elektronikbaugruppe verursacht die HF-Gleichtaktstörspannung einen HF-Gleichtaktstörstrom i in den Kabeln, die mit der Baugruppe verbunden sind. Dabei ist der HF-Gleichtaktstörstrom der Erregerstrom i_err, der diese Kabel wie Antennenelemente anregt. Dieser Erregerstrom i_err hat in Abhängigkeit von der Frequenz einen Antennenresonanzstrom i_AR zur Folge, der die Störaussendung bewirkt.
• Zur Messung des HF-Stromes sind bereits verschiedene Lösungen bekannt, z.B. BEM D.J., WIECKOWSKI T.W.: „Electromagnetic Compatibility of Electronic Equipment – Review of Testing Methods" in: MIKON '98., 12th International Conference on Microwaves and Radar, Volume: 4, 1998, S. 17–35, deren Anwendung aber in Verbindung mit der Optimierung der Störaussendung des Prüflings für den Entwickler meist sehr zeit- und kostenaufwendig ist.
• So kann bei Messungen mit einer Antenne im Fernfeld der Erfolg von Modifikationen des Entwicklers i.d.R. nur in einem Messlabor festgestellt werden. Der Prüfling muss also in ein Messlabor transportiert, aufgebaut und zur Messung positioniert werden, in Summe eine aufwendige Prozedur.
• Ein anderes bekanntes Messverfahren basiert auf der Nutzung einer TEM-Zelle oder einer GTEM-Zelle.
• Derartige Zellen bestehen aus einem Metallgefäß mit einem Wellenleiter (Septum) im Metallgefäß, wobei die HF-Strahlung des Prüflings auswertbar eingekoppelt wird.
• Ein weiteres Messverfahren nutzt die stripline als Messanordnung. Dabei wird unter dem Wellenleiter das ausstrahlende Kabel des Prüflings angeordnet und nachfolgend die aktuelle Strahlung ausgemessen.
• Bekannt ist auch ein Messverfahren, bei dem mit einer Netznachbildung gearbeitet wird. An einem beispielsweise 50 Ω-Anschlusswiderstand wird hier die Gegentakt-HF-Spannung der Stromversorgung des Prüflings gemessen. Bei diesem Verfahren reicht der Messbereich nur bis 30 MHz und es wird nicht der für die Störaussendung verantwortliche Gleichtaktstrom sondern der Differenzstrom (Gegentaktstrom) gemessen.
• Der Hauptnachteil bei der Anwendung der TEM-/GTEM-Zelle und der stripline besteht in dem aufwendigen Verfahrensablauf und der zugehörigen umfangreichen Messtechnik, da ein gesonderter Einbau mit Positionierung des Prüflings in der Messapparatur erforderlich ist. Der Prüfling selbst ist während des Messvorganges nicht zugänglich.
• In DE 42 37 828 C2 wird eine Einrichtung zur Störungserfassung und -auswertung für eine elektronische Baugruppe beschrieben.
• Hierbei werden die über Kabel und Leitungen in das Gerät eindringenden Störimpulse gemessen. Diese Einrichtung betrifft ausschließlich das Messen von pulsförmigen Störgrößen, die von den Zuleitungen zur Baugruppe bzw. zum Gerät über Koppelplatten abgegriffen werden.
• Gegenstand der Veröffentlichung von M.K. Hanstock: Low cost test methods to gain confidence in emissions and immunity", in: IEE Colloquium on EMC for the Small Business 1998 (Ref. No. 1998/420), 1998, S. 8/1–8/11 ist die allgemeine Darstellung der Vorgehensweise einer Entstörung. Es werden keine speziellen technischen Mittel und Verfahrensschritte bzw. -abläufe genannt.
• Mit der Feldquelle zur Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit nach DE 44 38 935 C2 werden unter Verwendung geeigneter Sonden, die an Störgeneratoren angeschlossen sind, in die zu untersuchenden elektronischen Schaltungen einzukoppelnde Störgrößen erzeugt. Die dafür benötigten Mittel werden beschrieben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren zu entwickeln, mit dem die für die Störaussendung eines Prüflings relevanten Ströme und Felder unmittelbar am Entwicklerarbeitsplatz und damit mit wesentlich geringerem Zeit- und Kostenaufwand ermittelt werden können.
• Dabei kommt es gleichzeitig darauf an, die für die Störaussendung in Form einer Antenne wirkende Struktur zu ermitteln und zu korrigieren.
• Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Ausgehend von den Mechanismen der Störaussendung einer elektronischen Baugruppe wurde ein Verfahren entwickelt, das die durch die Baugruppe erzeugten HF-Felder und die in Kabel eingespeisten HF-Ströme bewertet und das direkt am Entwicklerarbeitsplatz angewendet werden kann.
• Die Elektronik des Prüflings regt in den meisten Fällen das gesamte metallische System bestehend aus den Flachbaugruppen, den angeschlossenen Kabeln und den benachbarten Metallteilen (Gehäuse, Schirmbleche) zum Schwingen an. Das geschieht durch hochfrequente Ströme i_err und i_AR, die in die angeschlossenen Kabel eingespeist werden.
• In den meisten Fällen wird ein Bauelement oder ein Leiterzug allein nicht aussenden. Vielmehr erfolgt über eine elektrische oder magnetische Verkopplung (also im Nahfeld) eine Anregung des gesamten metallischen Systems.
• Das metallische System in seiner Gesamtheit wirkt als Antenne und wird von Teilen der Elektronik erregt. Die Erregung kann näherungsweise als ein Maß für die Störaussendung des Prüflings herangezogen werden. Dazu ist es notwendig, den Erregerstrom i_err zu messen, der z.B. vom Prüfling ausgehend in die angeschlossen Kabel fließt.
• Der Erregerstrom i_err und der Antennenresonanzstrom i_AR wird dabei von der Größe, Ausdehnung und Anordnung der Kabel beeinflußt. Bei bereits leichten Verschiebungen der Kabel können Veränderungen der Ströme und damit Messfehler entstehen.
• Für den Messvorgang werden deshalb die an den Prüfling angeschlossenen Kabel getrennt bzw. über Filter HF-mäßig abgekoppelt. Statt dessen wird eine kapazitive Verbindung der Prüflingsanschlüsse zu einer metallischen Grundplatte hergestellt. Somit wird der HF-Strom, der üblicherweise in die Kabel fließt, kleinräumig umgeleitet und zum Prüfling zurückgeführt. Die Messung dieses Stromes i_err erfolgt mit einem HF-Stromwandler.
• Dieser Aufbau ermöglicht die Messung der in die Kabel gespeisten HF-Ströme und unterdrückt weitgehend Störungen aus der Umgebung. Das Ergebnis ist dem einer Fernfeldmessung sehr ähnlich und kann durch den Entwickler selbst an seinem Arbeitsplatz ermittelt werden.
• Der Messablauf ist durch die folgende Vorgehensweise gekennzeichnet.
• In den meisten Fällen wird man mit einem Entwicklungsmuster eine Aussendungsmessung unter den üblichen Messbedingungen durchführen – z.B. im Freifeld mit Messantenne und Messempfänger –, denn nur bei Überschreiten der Grenzwerte sind Modifikationen notwendig. Damit liegen Messwerte vor, die als Referenz für nachfolgende Messungen mit dem HF-Stromwandler dienen. Zunächst erfolgt mit dem oben beschriebenen Aufbau die Messung der Erregerströme i_err.
• Im nächsten Schritt werden auf den Leiterkarten des Prüflings die kritischen „HF-Quellen" gesucht. Dazu eignen sich Magnetfeld- bzw. Feldsonden, mit denen IC, Leitungsverbindungen, Steckverbinder u.ä. abgetastet werden. Durch die genaue Analyse der Frequenzanteile und der Orientierung der Nahfelder lassen sich häufig deren Zusammenhänge mit den Erregerströmen i_err erkennen.
• Zur Messung der Nahfelder mit Sonden muss die Vorderseite der Schirmung geöffnet werden. Natürlich ist in diesem Fall die Schirmwirkung deutlich geringer als im geschlossenen Zustand. Die Nahfelder des Prüflings sind jedoch meist wesentlich stärker als die aus der Umgebung einkoppelnden Felder, so dass dennoch erfolgreich gemessen werden kann.
• Sind die kritischen „HF-Quellen" gefunden, wird an Ort und Stelle modifiziert und das Ergebnis sofort durch Messung der Erregerströme mit dem HF-Stromwandler bewertet. Bei weitergehenden Untersuchungen wechseln Messungen mit HF-Stromwandler und Messungen mit Nahfeldsonden einander ab. Ziel ist dabei, die Nahfelder so zu formen bzw. zu beeinflussen, das ein minimaler Erregerstrom in den angeschlossenen Kabeln fließt.
• Schirmungsmaßnahmen werden in folgendem Umfang empfohlen.
• Bei dem beschriebenen Verfahren befindet sich der Prüfling über einer leitfähigen Platte. Alle angeschlossenen Kabel sind mit Filtern versehen. Störungen aus der Umgebung können daher nur direkt in den Prüfling einkoppeln. In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen bzw. je nach interessierenden Frequenzbereichen und Pegeln können weitere Schirmmaßnahmen erforderlich sein.
• Bei Problemen im UKW-Bereich oder bei besonders hohen Anforderungen an den Prüfling wie z.B. im Automobilbau müssen Störfelder aus der Umgebung durch ein leitfähiges Gehäuse abgeschirmt werden. Da alle Kabel zum Prüfling entfernt bzw. gefiltert sind, ist eine Schirmung in unmittelbarer Umgebung vom Prüfling möglich. Notwendig ist ein Schirmgehäuse, dessen Vorderseite sich leicht öffnen lässt, so dass ein schnelles Wechseln zwischen Messen und Modifizieren möglich ist.
• Dem Elektronikentwickler steht mit der Erfindung ein Verfahren zur Verfügung, mit dem er direkt an seinem Entwicklerarbeitsplatz die Störaussendung einer Baugruppe beurteilen kann. In Sekundenschnelle wechselt er zwischen Messung und Modifikation und die Wirkung von Veränderungen am Prüfling wird sofort sichtbar.
• In der Folge sind weniger Termine im Prüflabor erforderlich und es werden Kosten und Zeit gespart.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung je eines Ausführungsbeispiels für die beim neuen Verfahren genutzten Messprinzipien. Es zeigen
• 1 Messprinzip zur Ermittlung der Störaussendung eines Prüflings mit mehreren Kabeln,
• 2 Messprinzip zur Ermittlung der Störaussendung eines Prüflings mit einem Kabel.
• Zum Messaufbau und Messablauf ist es zunächst notwendig, die für die Störaussendung als Antenne wirkende Struktur zu ermitteln. Zur Messung des Erregerstromes i_err wird diese Struktur nachgebildet und ein HF-Stromwandler 6 eingefügt. Nachfolgend sind dazu zwei grundsätzliche Beispiele erläutert.
• Einmal das Messprinzip für einen Prüfling mit mehreren Kabeln, s. 1:
  Sind an eine Flachbaugruppe 1 zwei oder mehr Kabel 2 angeschlossen und erzeugt die Elektronik 1 Gleichtaktstörungen, so entstehen Spannungsdifferenzen zwischen den Anschlüssen dieser Kabel 2. Das gesamte System wird zum Schwingen angeregt.
• Zur Messung des Erregerstromes i_err wird jeweils ein Kabel 2 unmittelbar an der Baugruppe 1 kapazitiv 7 mit der Grundplatte 5 verbunden. Praktisch geschieht das z.B. durch Einschalten eines HF-Stromwandlers 6 (s. 2) in die Stromversorgung des Prüflings 1. Der Wandler 6 misst die Erregerströme i_err und leitet sie über Kapazitäten 7 gegen die Grundplatte 5 ab. Alle anderen Kabel werden durch jeweils eine kapazitive Verbindung vom Prüfling 1 zur Grundplatte 5 ersetzt.
• Es ist erkennbar, dass der Erregerstrom i_err ungehindert fließen und gemessen werden kann. Es entsteht ein von der Lage der Kabel 2 weitgehend unabhängiger und kleinräumiger Versuchsaufbau.
• Natürlich wird der mit Hilfe des HF-Stromwandlers 6 gemessene Strom nicht exakt mit dem Ergebnis einer Antennenmessung übereinstimmen. Im realen Aufbau wird das Metallsystem durch seine Schwingungseigenschaften einzelne Frequenzbereiche hervorheben und andere dämpfen. Die beschriebene Messung ermöglicht es jedoch, genau zu bestimmen, in wieweit Modifikationen auf der Flachbaugruppe 1 zu einer Verringerung des Erregerstromes i_err führen oder nicht. Das Messergebnis wird auch nicht durch äußere Einflüsse wie Länge und Lage der angeschlossenen Kabel 2 beeinflusst.
• Erst zur genauen quantitativen Analyse ist wieder eine Messung im Fernfeld erforderlich.
• Das Messprinzip für einen Prüfling mit nur einem Kabel 2 zeigt 2:
  Ein anderer Aufbau ergibt sich, wenn am Prüfling nur ein Kabel 2 angeschlossen ist (oder alle angeschlossenen Kabel zu einem Kabelbaum verbunden sind). In diesem Fall befindet sich der Prüfling 1 am Ende des Kabels 2, in das er HF-Strom einspeist. Der Stromkreis wird geschlossen über die parasitäre Kapazität 7 zwischen Prüfling 1 und Grundplatte 5.
• Die Erregerstrommessung erfolgt wie oben mittels HF-Stromwandler 6. Natürlich hat die Größe der Kapazität 7 zwischen Prüfling 1 und der Umgebung 5 erheblichen Einfluss auf das Messergebnis. Diese Kapazität 7 kann im Messaufbau durch Ändern des Abstandes vom Prüfling 1 zur Grundplatte 5 beeinflusst werden. Bei der praktischen Messung kommt es darauf an, diesen Abstand entsprechend den Einsatzbedingungen des Prüflings 1 zu wählen. So ergibt sich bei einer Steuerung, die im Kraftfahrzeug unmittelbar an einem Karosserieteil montiert ist, ein geringer Abstand vom Prüfling 1 zu einer großen Metallfläche. Wird eine Tastatur hingegen auf einem Holztisch o.ä. betrieben, steht sie damit quasi frei im Raum. Für den Messaufbau wird dann entsprechend ein großer Abstand zur Grundplatte 5 verwendet.
• Zur Messung des Erregerstroms i_err wird ein Wandler 6 benötigt, der in den an den Prüfling 1 angeschlossenen Kabeln 2 den HF-Strom misst und auf kurzem Wege zur Grundplatte 5 ableitet. Je nach Art der eingesetzten Kabel 2 (Spannungsversorgung, Signalleitung) ergeben sich verschiedene Anforderungen an den HF-Stromwandler 6 hinsichtlich Strombelastbarkeit und Anzahl der zu bewertenden Adern, so dass gegebenenfalls verschiedene Wandler zum Einsatz kommen.
• Die zum Betrieb des Prüflings 1 notwendigen Kabelströme müssen im Wandler 6 gefiltert werden, damit aus der Umgebung keine hochfrequenten Ströme in den Messaufbau einfließen.
• Weiterhin interessieren je nach Struktur des Prüflings sowohl die Gleich- als auch die Gegentaktkomponente des Stromes in einem Kabel 2 (z.B. der Stromversorgung), die getrennt gemessen werden müssen.
• Zur Erfassung der Gleichtaktströme: Der HF-Strom fließt – wie bereits beschrieben – auf allen Adern eines Kabels 2 gegen GND 5 oder Gehäuse des Prüflings 1. Es kommt darauf an, dass der Weg des Erregerstromes i_err vom Prüfling 1 durch den HF-Stromwandler 6 in die Grundplatte 5, durch die Grundplatte hindurch und wieder zurück zum Prüfling kurz ist – möglichst viel kleiner als die Wellenlänge. Damit ist der Erregerstrom an jedem Punkt seines Weges annähernd gleich groß und die genaue Position des HF-Stromwandlers 6 unwesentlich. Anderenfalls ergibt sich je nach betrachtetem Frequenzbereich eine zufällige Position des Wandlers zwischen Strommaximum und Stromminimum, so dass ein frequenzabhängiger Fehler entsteht. Aber auch in diesem Fall können Änderungen des Erregerstromes durch Modifikationen auf der Flachbaugruppe 1 gemessen werden, obwohl das jeweilige Maximum des Stromes unbekannt ist.
• Hauptsächlich im unteren Frequenzbereich interessieren auch Gegentaktströme, die üblicherweise mit einer Netznachbildung gemessen werden. Der HF-Stromwandler 6 ermöglicht diese Messungen, so dass ein Umrüsten der Messanordnung nicht notwendig ist. Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei Schaltnetzteilen und getakteten Verbrauchern angewendet, die Störungen in ihrer Stromversorgung verursachen.
• Der erfindungsgemäße Messablauf ist durch die folgende Schrittfolge gekennzeichnet:
• – Messung der Erregerströme i_err mit einem HF-Stromwandler (6)
• – Lokalisierung der kritischen „HF-Quellen" auf der Leiterkarten des Prüflings mittels Magnetfeld- oder E-Feldsonden, mit denen IC, Leitungsverbindungen, Steckverbinder u.ä. abgetastet werden
• – Analyse der Frequenzanteile und der Orientierung der Nahfelder und Ableitung der Zusammenhänge mit den gemessenen Erregerströmen i_err
• – Modifizierung des Prüflings (1) und nachfolgende erneute Messung und Bewertung der Erregerströme i_err, wobei die Nahfelder durch Modifizierung der Baugruppe (1) solange verändert werden, bis ein minimaler Erregerstrom i_err in den angeschlossenen Kabeln (2) fließt.

1

Elektronikbaugruppe, Prüfling

2

Kabel

3

Gehäuse

4

Schirmbleche

5

Grundplatte, Umgebung

6

HF-Stromwandler, HF-Strom-Messfühlers

7

kapazitive Verbindung, HF-Ableitung

Claims (3)

1. Verfahren zur Ermittlung der elektromagnetischen Störaussendung einer Elektronikbaugruppe unter Verwendung eines Spektrumanalysators, der die gemessenen Frequenzanteile der Störaussendung analysiert, dadurch gekennzeichnet, dass die – durch die zu untersuchende Elektronikbaugruppe (1) in elektrischer und/oder magnetischer Verkopplung mit einem metallischen System, welches aus der Elektronikbaugruppe (1) selbst, den angeschlossenen Kabeln (2) und den in unmittelbarer Nähe befindlichen Metallteilen, wie Gehäuse (3), Schirmbleche (4) usw. besteht – erzeugten HF-Felder in Form der in die Kabel (2) eingespeisten und die Störaussendung verursachenden Erregerströme i_err dadurch gemessen und bewertet werden, dass die Erregerströme i_err auf eine GND-Platte (5) kapazitiv kurzgeschlossen (7) werden und ihre Messung mittels eines HF-Strom-Messfühlers (6) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Prüfling (1) mit mehreren Kabeln (2) zur Messung des Erregerstromes i_err ein Kabel (2) unmittelbar am Prüfling (1) durch Einschalten des HF-Stromwandlers (6) kapazitiv mit der Grundplatte (5) verbunden wird, während alle anderen Kabel durch jeweils eine kapazitive Verbindung vom Prüfling (1) zur Grundplatte (5) ersetzt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Untersuchung eines Prüflings (1), an dem nur ein Kabel (2) angeschlossen ist oder alle angeschlossenen Kabel zu einem Kabelbaum verbunden sind, sich der Prüfling (1) am Ende des Kabels befindet, in das er HF-Strom einspeist und der Stromkreis über die parasitäre Kapazität (7) zwischen Prüfling (1) und Grundplatte (5) geschlossen wird, wobei die Messung des Erregerstroms i_err mittels HF-Stromwandlers (6) erfolgt.