DE4224858C2 - Verfahren zur Bestimmung der Prüflingsstörschwelle und Bewertung von EMV-Maßnahmen am Prüfling - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Prüflingsstörschwelle und Bewertung von EMV-Maßnahmen an einem Prüfling nach dem Patentanspruch 1.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die EMV- Dimensionierung von digitalen Schaltungen und digital arbeitenden Geräten; dabei insbesondere bei der Gerätekon­ struktion, der EMV-Dimensionierung an den Schnittstellen, am Layout sowie im logischen Bereich der Geräte.

Auch für eine effektive Forschung auf dem Gebiet der EMV ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unverzichtbar.

Aus DE 38 21 709 A1 ist ein Verfahren zum Dekodieren von Digitalsignalen bekannt, die einer mehrstufigen Bewertung unterzogen werden, wobei die Datensignale mindestens zwei Schwellwertentscheidungen mit unterschiedlich gelegten Entscheidungsschwellen unterzogen werden.

Bei Verfahren und Anordnung zur Störungsunterdrückung bei der Impulserfassung nach DE 28 27 348 A1 wird zur Unterdrückung der eine geringere Amplitude aufweisenden Störimpulse eine Schwelle vorgegeben, wobei die Schwelle in Abhängigkeit des Impulsamplitudenniveaus verschoben werden kann.

Von den bekannten Lösungen wird keine dynamische Schalt­ schwelle definiert, es werden lediglich einstellbare sta­ tische Schaltschwellen ohne definierte Impulszeiten bzw. -formen vorgegeben.

Gegenstand der Patentschrift DE 37 42 397 C1 ist ein Netzanalysegerät zum Einsatz bei elektromagnetischen Störfällen.

Mit diesem Gerät können unter Anwendung eines Zählers die Störimpulse gezählt werden. Es ist aber lediglich möglich, die Zahl der Einzelimpulse eines Burstvorganges zu ermitteln. Dieses Ergebnis läßt keine Aussage über die Höhe der Prüflingsstörschwelle zu.

Ein alternatives Verfahren wurde von LANGER, G.: Hochgenaue EMV-Modellierung in Elektronik Journal 1992 Heft 11, S. 44-50 beschrieben.

Danach wird in Anwendung der üblichem, aus der Hochspannungstechnik bekannten Verfahren zur Spannungssteigerung bis zum Durchbruch oder hier bis zum Erreichen der Störschwelle die Generatorspannung erhöht, was die laufende Beobachtung und den Eingriff des Prüfers erfordert. Beim Erreichen der Störschwelle wird der Vorgang vom Prüfer abgebrochen; der aktuelle Spannungswert ist der gesuchte Meßwert.

Dieses Verfahren ist zwar für Typ- und Zertifizierungsprüfungen geeignet, aber für entwicklungsbegleitende Prüfungen zu langwierig und zu umständlich.

Für eine EMV-gerechte Dimensionierung digitaler Geräte bzw. Schaltungen gibt es keinen gesicherten Algorithmus. Für digitale Schaltungen bereiten im Nanosekunden-Bereich liegende, äußere impulsartige Störgrößen (Burst, ESD) besondere Schwierigkeiten.

Um die EMV von Geräten insgesamt oder von speziellen Gerätefunktionen nachzuweisen, werden deshalb Störgenera­ toren eingesetzt, beispielsweise Burstgeneratoren oder ESD-Pistolen.

Mit einem Störgenerator erfolgt über Geräteschnittstellen oder Zuleitungen die Störstromeinspeisung.

Der Störgenerator wird in geeigneter Weise mit dem Gerät verbunden, z. B. mit einem Koppelnetzwerk für Schnittstel­ len, einer Koppelzange für Kabel und Leitungen oder mit Konstruktionsteilen zur Einleitung von ESD-Entladungen. Zur Ermittlung der Störfestigkeit wird die Generatorspan­ nung stetig oder schrittweise erhöht bis das Gerät eine unzulässige Fehlfunktion zeigt. Die Generatorspannungshö­ he, bei der die Fehlfunktion auftritt, ist ein Maß für die EMV des Gerätes.

Anstelle von Störgeneratoren, die leitungsgebunden Störim­ pulse erzeugen, sind auch elektromagnetische Strahlungs­ quellen verwendbar.

Solche elektromagnetischen Strahlungsquellen können z. B. Antennen oder TEM-Zellen sein.

Eine Verbesserung dieser Situation bringt der Einsatz von EMV-Sensoren. Die in der Schaltung wirkenden beeinflussen­ den Größen, können durch den Sensor direkt am Ort der Beeinflussung, des physikalischen Geschehens festgestellt werden.

Die Höhe der Generatorspannung, bei der die äquivalente Schaltschwelle des Sensors überschritten wird, ist ein Maß für die Verträglichkeit einer bestimmten EMV-Konfiguration. Der unzuverlässige Weg des Verträglichkeitsnachweises über die Gerätefehlfunktion wird damit umgangen.

Bei diesem Verfahren ist die Existenz der logischen Gerätefunktion nicht erforderlich. Das bedeutet, daß die EMV-Dimensionierung vor oder parallel zur Schaltungs- oder Geräteentwicklung, also vor der Erstellung eines ersten Musters, an einem EMV-Modell durchgeführt werden kann.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren ist u. a. die Anschaf­ fung hochwertiger teurer Störgeneratoren. Außerdem ist das Verfahren zur Störschwellenermittlung relativ umständlich. Nach jedem Dimensionierungsschritt muß die Störspannung heruntergefahren und von neuem an den Punkt der neuen Störschwelle hochgeregelt werden. Ein sofortiges Ablesen einer Verträglichkeitsänderung ist nicht möglich.

Die bekannten Störgeneratoren arbeiten mit einer definier­ ten Störimpulsbreite (Stirnzeit, Rückenhalbwertzeit) und variabler Amplitude. Die definierte, feste Impulsbreite schränkt die Anwendbarkeit bei der EMV-Dimensionierung ein.

Für die EMV-Dimensionierung sind deshalb speziell zuge­ schnittene Verfahren erforderlich. Teure, regelbare und genaue Störgeneratoren der üblichen Bauweise eignen sich wenig. Außerdem ist das Meßverfahren zu langwierig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, mit einem speziell auf den Problembereich der Erfin­ dung zugeschnittenen Meßverfahren die Höhe der Prüflingsstörschwelle zu ermitteln und zu jeder Verände­ rung von EMV-Maßnahmen sofort die Verträglichkeitsänderung zu erfassen.

Es soll also eine am zu prüfenden Gerät entstandene Verträglichkeitsänderung sofort als Meßwert angezeigt werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Prüfobjekt mit einer Störimpulsfolge beaufschlagt wird, deren Einzelim­ pulse pro Zeiteinheit bzw. Generatorzyklus definierte Anfor­ derungen erfüllen. Nach diesen definierten Anforderungen

• - werden Zahl und Verteilung der Impulse variiert,
• - wird eine bestimmte Impulsfolge vorgegeben,
• - werden definierte Höhen und Breiten der Störimpulse eingestellt,
• - wird ein definierter Anstieg der Einzelimpulse bzw. eine definierte Form der Hüllkurve einer Impulsfolge vorgegeben,
• - werden die Störimpulse bzw. Störimpulsfolgen mit einer bestimmten Polarität vorgegeben.

Mit den von einem Störgenerator kontinuierlich oder in Zyklen erzeugten Störimpulsen wird die zu prüfende Schal­ tung beaufschlagt. Die Zahl der Überschreitungen der Prüflingsstör­ schwelle pro Zeiteinheit wird von einem Zähler als Zahlen­ wert angezeigt, wobei dieser Zahlenwert ein direktes Maß für die EMV ist.

Wird die Störschwelle des Prüflings durch Manipulierung, z. B. im Sinne einer EMV-gerechten Dimensionierung verrin­ gert so erhöht sich dieser Zahlenwert und umgekehrt.

Damit ist jederzeit und sofort eine exakte Bewertung der EMV einer speziellen Schaltung möglich, was eine angepaßte Entwicklung und Dimensionierung ermöglicht.

Die Ausmessung der äußeren Prüflingsstörschwelle kann durch Variation der Störimpulsbreite bei jeweils steigender Amplitudenhöhe der Generatorspannung über eine bestimmte Zahl von Meßpunkten erfolgen. Dabei wird für jeden Meßpunkt die Amplitude bis zum Erreichen der Prüflingsstörschwelle erhöht. Nachfolgend wird der Vorgang mit einer anderen Stör-Impulsbreite wiederholt, bis alle für die Aufnahme der Meßkurve erforderlichen Impulsbreiten durchfahren sind.

Es können alle Arten von Störgeneratoren verwendet werden, die Störimpulse im Nanosekunden-Bereich erzeugen. Mit einem Burstgenerator sind genaue Untersuchungen möglich. Eine kostengünstige Alternative ist der Killerkreis.

Weitere Merkmale der Erfindung können den Patentansprüchen entnommen werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

Es zeigen:

Fig. 1: zwei zeitliche Störamplitudenfolgen; in Fig. 1.1 ungeordnet und in Fig. 1.2 geordnet,

Fig. 2: die aus Fig. 1 resultierende Häufigkeitsvertei­ lung der Störamplituden,

Fig. 3: eine Meßanordnung mit Frequenzzähler

Fig. 4: die Darstellung des Zusammenhangs von Stör­ schwellen und Zählergebnis,

Fig. 5: eine Störimpulsamplitudenentwicklung nach einer Sinusfunktion,

Fig. 6: eine alternierende Störimpulsamplituden­ entwicklung,

Fig. 7: Verlauf von Störimpulsbreite und Amplitude zur Ausmessung der äußeren Störschwelle,

Fig. 8: einen Killerkreis als Störgenerator in kapazitiv getrennter Ausführung.

Nach der in Fig. 1 dargestellten Meßstrategie erzeugt der Störgenerator 1 kontinuierlich oder in Zyklen Störimpulse konstanter Breite und mit unterschiedlicher Amplitude.

Die Häufigkeitsverteilung der Amplitude ist im betrachtetem Zeitabschnitt angenähert homogen. Zwischen einem Größtwert und einem Kleinstwert treten alle Amplitudenwerte etwa gleich wahrscheinlich auf, s. Fig. 2.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein spezieller Störgenerator 1 zusammen mit einer speziellen Meßanordnung nach Fig. 3 erforderlich. Der Störgenerator muß kontinuierlich Burstimpulse liefern, deren Amplituden unterschiedliche Höhe besitzen. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens verschiedener Störimpulsamplituden muß möglichst gleichmäßig verteilt sein. Praktisch wird das bei einem speziellen Störgenerator zwischen einem kleinst- und einem größtmöglichen Amplitudenwert mehr oder weniger gleichmäßig realisierbar sein.

Die Meßanordnung nach Fig. 3 besteht neben dem Störgenera­ tor 1 und dem Prüfling 2 aus einem EMV-Sensor 6, der über einen Lichtwellenleiter 4 mit einem Empfänger 3 und einem Zählerfrequenzmesser 5 gekoppelt ist.

Pro Zeiteinheit überschreiten diejenigen Störimpulse die Störschwelle U₁, U₂, U₃ des Prüflings 2, die größer sind als die Störschwelle, s. Fig. 4.

Die Zahl der Überschreitungen der Störschwelle pro Zeit­ einheit ist bei homogener Amplitudenverteilung konstant und wird von einem Zähler 5 als Zahlenwert pro Zeiteinheit angezeigt.

Dieser Zahlenwert ist ein Maß für die EMV. In Fig. 4 sind zu den eingetragenen Störschwellen U₁, U₂, U₃ die zugehörigen Impulszahlen am Zahlfrequenzmesser 5 mit n = 12, n = 6, n = 1 angegeben.

Wenn die Störschwelle des Prüflings 2 durch Manipulierung, beispielsweise in Ausführung der EMV-Dimensionierung ver­ ringert wird, erhöht sich der Zahlenwert und umgekehrt.

Je nachdem welche Höhe die Störschwelle hat, wird pro Zeitintervall eins bestimmte Impulszahl vom Sensor 6 registriert und an den Empfänger 3 weitergeleitet. Wenn der Empfänger 3 auf den Eingang eines Zählfrequenzmessers 5 aufgesteckt wird, s. Fig. 3, ist die Impulszahl pro Zeiteinheit (z. B. 1 sec) sofort ablesbar, s. Fig. 4. Wenn die Störschwelle niedrig liegt, wird eine große, wenn sie hoch liegt, eine kleine Impulszahl registriert. Bei diesem Verfahren ist die Impulszahl pro Zeiteinheit ein Wert für die Verträglichkeit des Prüflings 2. Eine durch Manipulieren am Prüfling entstandene Verträglichkeitsände­ rung kann sofort nach einer kurzen Meßzeit am Frequenzzäh­ ler 5 abgelesen werden.

Nach der bereits erläuterten ersten Verfahrensvariante weist die zeitliche Störimpulsamplitudenfolge eine statistische Verteilung auf, s. Fig. 1.1.

Sie wirkt über eine ausreichend lange Zeit und führt damit zu einer homogenen Impulszahl, d. h. jede Störimpuls­ höhe ist dann etwa gleich oft vorhanden, s. Fig. 2.

Der Frequenzzähler 5 muß eine genügend große Meßzeit besitzen, so daß auch wirklich bei einer möglichst homogenen Verteilung gemessen wird. Oder umgekehrt, der Störgenerator 1 muß genügend schnell Impulse produzieren damit die Meßzeit klein genug gehalten werden kann.

Die Zahl der Störschwellenüberschreitungen hängt auch bei dieser Variante von der Höhe der Störschwelle und der Meßzeit ab.

Die Höhe der Störschwelle ist umgekehrt proportional der gezählten Impulszahl.

Die EMV-Meßgröße ist damit die Impulszahl.

Nach der zweiten Verfahrensvariante gemäß Fig. 1.2 ist die zeitliche Veränderung der Störimpulsamplitude des Genera­ tors eine stetige Funktion.

Die Amplitude der Störimpulse ändert sich monoton in kleinen Sprüngen nach dieser stetigen Funktion. Die zeitliche Änderung folgt damit einer bestimmten Funktion, z. B. einer linearen Funktion (Fig. 1.2) oder einer Sinus-Funktion nach Fig. 5.

Die Meßzeit muß mit dem Generatorzyklus synchronisiert sein oder aber ausreichend groß gegenüber dem Generatorzyklus sein.

Bei einer dritten Verfahrensvariante nach Fig. 6 können die Amplitudenfolgen nach Variante 1 (Fig. 6.1) und Variante 2 (Fig. 6.2) für beide Spannungspolaritäten alternierend verwendet werden.

Fig. 7 zeigt eine weitere Verfahrensvariante, mit der durch Variation der Störimpulsbreite T bei jeweils steigender Amplitudenhöhe der Generatorspannung für eine bestimmte Zahl von Meßpunkten die Ausmessung der äußeren Störschwelle erfolgen kann.

Nach Fig. 7 wird für zwei Impulsbreiten T1 und T2 die Amplitude der Generatorspannung U bis zum Erreichen der Störschwelle erhöht.

Die Zahl der für den Meßvorgang vorzusehenden Störimpuls­ breiten T wird von der gewünschten Zahl der Meßpunkte und der Dimensionierung des Störgenerators bestimmt.

Nachfolgend noch einige Erläuterungen zur Meßanordnung gemäß Fig. 3.

Ein EMV-Geräte- oder Schaltungsmodell 2 ist als Prüfling über seine Koppelorte mit einem Störgenerator 1 verbunden. Im Modell ist der EMV-Sensor 6 adaptiert.

Das Schaltungsmodell stellt eine EMV-Nachbildung der Geräteschaltung dar. Die wichtigsten Bestandteile sind die auf eine Trägerplatte aufgebrachte Massefläche, die Ver­ sorgungsleiterzüge und die Koppelorte. Die Trägerplatte besteht in ihrer einfachsten Form aus beschichtetem Lei­ terplattenmaterial. Die Konturen der Masse- und Versor­ gungsleiterzüge können geätzt oder ausgeschnitten sein. Für orientierende Experimente genügt es, nur die Schal­ tungsmasse angenähert nachzubilden, z. B. in stark verein­ fachter Form als rechteckige Kupferfläche.

Im allgemeinen sind mindestens zwei Koppelorte sinnvoll, einer über den der Störstrom einfließt und einer über den er ausfließt. Ein Koppelort kann eine Schnittstelle sein, oder z. B. eine parasitäre Kopplung zur Umgebung. Es ist meist nicht sinnvoll, Schnittstellennachbildungen zu verwenden, da die originalen Bauelemente wie Übertrager, Relais und Optokoppler einfacher zu handhaben sind. Wenn jedoch viele Schnittstellenbauelemente parallel geschaltet werden müssen, ist es besser deren parasitären Kapazitäten mit einer Ersatzkapazität nachzubilden.

Um den Einfluß von Modellveränderungen auf die Verträg­ lichkeit zu studieren, werden schrittweise Maßnahmen geän­ dert. Die zu jeder Veränderung ermittelte Höhe der Stör­ schwelle ermöglicht einen Vergleich der Maßnahmen. Auf Grund der gesammelten Erfahrungen läßt sich das Modell zielgerichtet in optimierender Weise verbessern.

Ein kostengünstige Alternative für die technische Ausfüh­ rung eines Störgenerators ist der Killerkreis. Fig. 8 zeigt einen Killerkreis in kapazitiv getrennter Ausfüh­ rung.

Er wird mit Wechsel- bzw. Gleichspannung beispielsweise über einen Trenntrafo betrieben; dargestellt ist eine selbstgetaktete Anordnung.

Ein solcher Killerkreis zur Erzeugung von Störimpulsen ist ausreichend, um einen Überblick über die Wirksamkeit von EMV-Maßnahmen zu erreichen.

Die Wirksamkeit der erzeugten Störimpulse steht in propor­ tionaler Abhängigkeit zur Speisespannung. Wenn für den Killerkreis ein Relais 7 mit 220 V Nennspannung und ca. 2 W Spulenleistung verwendet wird, erzeugt die Anordnung ex­ trem wirksame Störimpulse.

Die Größe der Kondensatoren C_k beträgt beispielsweise 1 bis 100 nF.

Zur Erzeugung einer bestimmten Impulsfolge und -formung kann das Relais 7 durch ein weiteres Relais oder geeignete bekannte Schaltmittel gesteuert werden.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist die zügige Durchführ­ barkeit von Verträglichkeitsänderungen und die Verwendbar­ keit kostengünstiger Killerkreise als Störgeneratoren.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung der Prüflingsstörschwelle und Bewertung von EMV-Maßnahmen an einem Prüfling in der Weise ablaufend, daß

• a) zur Beaufschlagung des Prüflings ein spezieller Stör­ größengenerator eine Störimpulsfolge erzeugt, deren Ein­ zelimpulse mittels unterschiedlicher Parameter, wie Ampli­ tude, Impulsbreite, Stirnzeit, Rückenzeit eine unter­ schiedliche Störfähigkeit aufweisen, und diese Einzel­ impulse zwischen einem Kleinstwert und einem Größtwert möglichst viele Zwischenwerte pro Zeiteinheit nach einer bestimmten Zeitfunktion der Hüllkurve kontinuierlich oder in Zyklen durchlaufen,
• b) ab einem bestimmten Wert der Störfähigkeit der Störim­ pulse die Prüflingsstörschwelle überschritten wird, wobei die Prüflingsstörschwelle von einem EMV-Sensor ge­ bildet wird, und alle Überschreitungen pro Zeiteinheit an einen Zähler als Auswerteeinrichtung übermittelt werden.
• c) aus der Zahl der Überschreitungen pro Zeiteinheit in Verbindung mit der Zeitfunktion der Störfähigkeit mit den Parametern Amplitude, Impulsbreite, Stirnzeit, Rückenzeit die Prüflingsstörschwelle ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Störfähig­ keit der Einzelimpulse bei konstanter Amplitude durch Verändern der Störimpulsbreite insgesamt oder gesondert durch Verstellen der Stirnzeit oder der Rückenzeit erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Störfähig­ keit der Einzelimpulse bei konstanter Störimpulsbreite, Stirnzeit und Rückenzeit durch eine Veränderung der Ampli­ tude erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Störfähig­ keit der Einzelimpulse in Kombination der Parameter Ampli­ tude, Impulsbreite, Stirnzeit und Rückenzeit erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfunktion der Hüllkurve der Störfähigkeit der Einzelimpulse einer beliebigen mathematischen Funktion folgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Funktion eine statistische Funktion ist und daß der durch sie beschriebene Parameter der Störfähigkeit zwischen einem Kleinstwert und einem Größtwert eine möglichst konstante Häufigkeitsverteilung besitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Funktion eine lineare Funktion ist und daß der durch sie beschrie­ bene Parameter der Störfähigkeit zwischen einem Kleinst­ wert und einem Größtwert liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der Einzel­ impulse oder Impulsgruppen pro Zeiteinheit wechselt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur statistisch verteilten Störimpulsamplitude die Störimpulsbreite ein­ stellbar ist, was durch Einstellen der Breite insgesamt oder gesondert durch Einstellen der Stirnzeit und der Rückenzeit erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Störimpulsbreite zwischen einer kleinsten und einer größten Impulsbreite eine zumin­ dest annähernd homogene statische Verteilung aufweist, so daß nacheinander statistisch verteilt verschiedene Impuls­ breiten mit unterschiedlichen Impulshöhen kombiniert ge­ testet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Störimpulsbreite nach jedem Generatorzyklus um einen kleinen Schritt verändert wird, so daß nacheinander verschiedene Impulsbreiten mit unterschiedlichen Impulshöhen kombiniert getestet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmessung der Prüflings­ störschwelle durch Variation der Störimpulsbreite bei jeweils steigender Amplitudenhöhe über eine bestimmte Zahl von Meßpunkten erfolgt, wobei für jeden Meßpunkt die Amplitude bis zum Erreichen der Störschwelle erhöht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Impuls­ breiten nach einer bestimmten Funktion erfolgt, so daß nach mehreren Generatorzyklen alle durch die Funktion bestimmten Impulsbreiten durchlaufen sind.