DE10151824B4 - Verfahren zur Ermittlung der elektromagnetischen Störaussendung einer Elektronikbaugruppe - Google Patents
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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
ierr dadurch gemessen und bewertet werden,
dass die Erregerströme
ierr 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 ierr, der diese Kabel wie Antennenelemente anregt. Dieser Erregerstrom ierr hat in Abhängigkeit von der Frequenz einen Antennenresonanzstrom iAR 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 ierr und iAR, 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 ierr zu messen, der z.B. vom Prüfling ausgehend in die angeschlossen Kabel fließt.
- Der Erregerstrom ierr und der Antennenresonanzstrom iAR 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 ierr 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 ierr.
- 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 ierr 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 ierr 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 Flachbaugruppe1 zwei oder mehr Kabel2 angeschlossen und erzeugt die Elektronik1 Gleichtaktstörungen, so entstehen Spannungsdifferenzen zwischen den Anschlüssen dieser Kabel2 . Das gesamte System wird zum Schwingen angeregt. - Zur Messung des Erregerstromes ierr wird jeweils ein Kabel
2 unmittelbar an der Baugruppe1 kapazitiv7 mit der Grundplatte5 verbunden. Praktisch geschieht das z.B. durch Einschalten eines HF-Stromwandlers6 (s.2 ) in die Stromversorgung des Prüflings1 . Der Wandler6 misst die Erregerströme ierr und leitet sie über Kapazitäten7 gegen die Grundplatte5 ab. Alle anderen Kabel werden durch jeweils eine kapazitive Verbindung vom Prüfling1 zur Grundplatte5 ersetzt. - Es ist erkennbar, dass der Erregerstrom ierr 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 Flachbaugruppe1 zu einer Verringerung des Erregerstromes ierr führen oder nicht. Das Messergebnis wird auch nicht durch äußere Einflüsse wie Länge und Lage der angeschlossenen Kabel2 beeinflusst. - Erst zur genauen quantitativen Analyse ist wieder eine Messung im Fernfeld erforderlich.
- Das Messprinzip für einen Prüfling mit nur einem Kabel
2 zeigt2 :
Ein anderer Aufbau ergibt sich, wenn am Prüfling nur ein Kabel2 angeschlossen ist (oder alle angeschlossenen Kabel zu einem Kabelbaum verbunden sind). In diesem Fall befindet sich der Prüfling1 am Ende des Kabels2 , in das er HF-Strom einspeist. Der Stromkreis wird geschlossen über die parasitäre Kapazität7 zwischen Prüfling1 und Grundplatte5 . - Die Erregerstrommessung erfolgt wie oben mittels HF-Stromwandler
6 . Natürlich hat die Größe der Kapazität7 zwischen Prüfling1 und der Umgebung5 erheblichen Einfluss auf das Messergebnis. Diese Kapazität7 kann im Messaufbau durch Ändern des Abstandes vom Prüfling1 zur Grundplatte5 beeinflusst werden. Bei der praktischen Messung kommt es darauf an, diesen Abstand entsprechend den Einsatzbedingungen des Prüflings1 zu wählen. So ergibt sich bei einer Steuerung, die im Kraftfahrzeug unmittelbar an einem Karosserieteil montiert ist, ein geringer Abstand vom Prüfling1 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 Grundplatte5 verwendet. - Zur Messung des Erregerstroms ierr wird ein Wandler
6 benötigt, der in den an den Prüfling1 angeschlossenen Kabeln2 den HF-Strom misst und auf kurzem Wege zur Grundplatte5 ableitet. Je nach Art der eingesetzten Kabel2 (Spannungsversorgung, Signalleitung) ergeben sich verschiedene Anforderungen an den HF-Stromwandler6 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 Wandler6 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 GND5 oder Gehäuse des Prüflings1 . Es kommt darauf an, dass der Weg des Erregerstromes ierr vom Prüfling1 durch den HF-Stromwandler6 in die Grundplatte5 , 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-Stromwandlers6 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 Flachbaugruppe1 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
ierr 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 ierr
- – Modifizierung
des Prüflings
(
1 ) und nachfolgende erneute Messung und Bewertung der Erregerströme ierr, wobei die Nahfelder durch Modifizierung der Baugruppe (1 ) solange verändert werden, bis ein minimaler Erregerstrom ierr 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)
- 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 ierr dadurch gemessen und bewertet werden, dass die Erregerströme ierr auf eine GND-Platte (5 ) kapazitiv kurzgeschlossen (7 ) werden und ihre Messung mittels eines HF-Strom-Messfühlers (6 ) erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Prüfling (
1 ) mit mehreren Kabeln (2 ) zur Messung des Erregerstromes ierr 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. - 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 ierr mittels HF-Stromwandlers (6 ) erfolgt.
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CN108089075A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-05-29 | 广电计量检测(西安)有限公司 | 一种屏蔽线缆的仿真验证测试装置及其方法 |
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- 2001-10-15 DE DE2001151824 patent/DE10151824B4/de not_active Expired - Fee Related
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