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Störquellen aufspüren Mit dem Tablet EMV-Probleme auf Platinen erkennen

Autor / Redakteur: Patrick Jung und Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem Tablet und einer Software lassen sich Störquellen auf Platinen detektieren und Probleme ausfindig machen. Änderungen sind schnell eingebracht, da die Messergebnisse in Echtzeit vorliegen.

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Einfach gefunden: Das Scanner-Tablet erkennt Fehler- und Störquellen auf einer zu untersuchenden Platine.
Einfach gefunden: Das Scanner-Tablet erkennt Fehler- und Störquellen auf einer zu untersuchenden Platine.
(dataTec)

Nach der Entwicklungsphase eines Produktes steht neben anderen Zulassungstests auch der EMV-Test. Wird dieser nicht bestanden, so kann das eine langwierige Nachentwicklung zur Folge haben, um die Ursache der abgestrahlten Strahlung herauszufinden und diese zu beseitigen. Hinzu kommen Verzögerungen wie beispielsweise einen neuen Zeit-Slot für einen erneuten EMV-Testlabor-Termin. Alle nachfolgenden Prozessschritte wie Produktionsanlauf oder Markteinführung verschieben sich – abgesehen von den finanziellen Einbußen, die durch die nicht bestandene EMV-Prüfung zu tragen sind.

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Vorteilhaft ist eine entwicklungsbegleitende Messung der Störabstrahlung einer Platine, um damit Problemstellen ausfindig zu machen, die dann in einem sehr frühen Entwicklungsstadium reduziert oder beseitigt werden können. EMSCAN hat hier Pionierarbeit geleistet. Das Set besteht aus einer Tablet-artigen Messfläche, einer speziellen Software und einer Switch-Box. Das Messprinzip ist relativ einfach. Jedem Ingenieur ist eine H-Feld-Sonde ein Begriff. Mit ihr lassen sich Magnet-Felder vermessen. Das Mess-Tablett enthält viele kleine, rasterförmig angeordnete H-Feld-Sonden. Auf dem 32 cm x 32 cm großen Mess-Tablet sind 1218 Sonden angebracht, die jeweils mit Verstärker und einer Schaltmatrix verbunden sind.

Mit Hilfe der Software werden die Messwerte dieser Sonden abgefragt und miteinander verrechnet, so dass daraus eine Topologie der vom Board ausgehenden Störstrahlung aufgezeigt wird. Es lassen sich die besonders kritischen Stellen auf einem Bord ausfindig machen. In einer anderen Visualisierungsart wird ein Spektrum der abgestrahlten Leistung dargestellt. Damit lassen sich abgestrahlte Signale von 150 kHz bis 4 GHz (EXH 42) bzw. von 150 kHz bis 8 GHz (EHX 82) detektieren. In Echtzeit sind die Auswirkungen von zusätzlich eingelöteten Block-Kondensatoren oder die Stördämpfung von den an Kabeln angebrachten Ferrit-Filtern erkennbar. Die Aktualisierung der Messwerte erfolgt in weniger als einer Sekunde.

Wie sich die Störstrahlung unterdrücken lässt

Die Darstellung, welche die mitgelieferte Software ermöglicht, geben dem Entwicklungsingenieur entweder eine Spektral-Darstellung der abgestrahlten Leistung (Bild 1) oder eine räumliche Darstellung des PC-Boards mit einer farblichen Kennzeichnung der unterschiedlich strahlenden Bereiche wieder. Zur leichteren Orientierung, welches Bauteil oder welche Bauteil-Gruppe die größte Störstrahlung verursacht, lässt sich das Bestückungs-Layout auf dem Display einblenden. Unterstützt werden die Datei-Formate: Gerber RS274x und HPGL. Künftig sollen sich auch Fotos der Platine einbinden lassen.

Bild 2 zeigt zwei Platinen, die auf dem Mess-Tablet positioniert sind. Das untere Bild zeigt in Farbschattierungen an, wie stark eine Strahlung abgegeben wird. Den Einfluss der Netzteil-Platine auf das Board sind deutlich zu erkennen. Eine mögliche Abhilfe ist ein Ferrit-Filter, der die Versorgungsleitungen umschließt. Wird dieser Ferrit positioniert, kann der Einfluss auf die Schaltung innerhalb von Sekunden verifiziert und die Effizienz der Maßnahme beurteilt werden. Bild 3 zeigt die Veränderung; die Störeinflüsse auf das benachbarte PC-Board konnten deutlich reduziert werden.

Störstrahlungen lassen sich auf typisch ±3dB der Amplitudengenauigkeit ausmessen, wobei für die Frequenzgenauigkeit der verwendete Spektrum-Analysator maßgeblich ist. Der Dynamikbereich beträgt bei 1 MHz => - 85 dBm, bei 2 GHz => - 96 dBm und bei 4 GHz => - 65 dBm. Für schnellere Messungen kann der Messbereich auf dem Tablet vom Anwender definiert bzw. eingeschränkt werden. Damit müssen für eine kleine Schaltung nicht alle Mess-Stellen des Tablets abgetastet werden.

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Signalemissionen in Echtzeit erkennen

Das Erfassen von abgestrahlten Signal-Leistungen von PC-Boards mit Takt- bzw. Signalfrequenzen über 2 GHz ist eine Problematik, mit der jeder Entwicklungsingenieur konfrontiert ist.

Mit dem Scanner-Tablett EHX-42 lassen sich EMC- und EMI-relevante-Signale mit einer Signalfrequenz von 150 kHz bis 8 GHz nachweisen, wodurch sich in Echtzeit die verschiedenen Signalemissionen und deren Design-Ursachen frühzeitig erkennen lassen.

Die Dauer einer Messung beträgt typisch 45 Sekunden; sie ist abhängig vom gemessenen Frequenzbereich (100 MHz), der Auflösebandbreite (100 kHz) und dem vom Anwender definierbaren Tablet-Messbereich, wobei der Frequenzbereich und die Auflösebandbreite vom Anwender am Spektrum-Analysator einstellbar sind. Ein topologischer Scan dauert weniger als 1 Sekunde, wenn alle aktivierten Nahfeldsonden bei einer Frequenz und einer definierten Auflösebandbreite abgetastet werden.

Empfindliche Bauelemente und Module lassen sich durch entsprechende Schirmung vor Einstrahlung schützen. Positioniert man das Board – einmal ungeschirmt wie in Bild 4 und dann geschirmt auf dem Mess-Tablet, so wird der Einfluss bemerkbar. Ein wesentlicher Anteil von Fehler- und Stör-Quellen sind Common-Mode-Ströme. Mit dem Mess-Tablet lassen sich sehr einfach derartige Bereiche auf einer Platine feststellen, die stark mit Common-Mode-Signalen beaufschlagt sind.

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