Störfestigkeit untersuchen

Vom Gerätetest zu einem IC-Testsystem, Teil 1

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Wie eine Störung beim Gerätetest wirkt

Ein Gerät wird zum Nachweis der Störfestigkeit oder auch im bestimmungsgemäßen Einsatz mit pulsförmigen Störgrößen beaufschlagt. Dabei gibt es zwei grundsätzliche Wirkmechanismen, die einzeln betrachtet werden, jedoch gleichzeitig auftreten.

1. Magnetfeld-Kopplung: Der am Gerät anliegende primäre Störimpuls (ESD-Puls oder Burst) der Spannung u(t) bewirkt einen durch das Gerät fließenden Störstrompuls i(t) (Bild 3). Um den vom Störstrom i(t) durchflossenen Leiter bildet sich das Störmagnetfeld H(t). Je geringer die Impedanz im Primärkreis ist, umso höher ist der Stromfluss und damit das H-Feld. Die Feldstärke ergibt sich im Idealfall für den geraden Leiter aus (r Abstand).

(1)
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Das Störmagnetfeld durchdringt das Gerät und die darin befindlichen Leiterkarten und Bauteile. Auf den Leiterkarten oder in den Bauteilen befinden sich Leiterschleifen, in denen das Störmagnetfeld über die Induktivität L eine sekundäre Störspannung u_sec(t) induziert: u_sec(t) = -L*di/dt (2). Diese Störspannung liegt beispielsweise an einem IC-Pin oder in einem IC an und kann im IC zum Fehlverhalten führen. 2. E-Feld-Kopplung: Der am Gerät anliegende primäre Störimpuls (ESD-Puls oder Burst) der Spannung u(t) bewirkt im Gerät einen Spannungsabfall über die Baugruppe. Aus der Spannungsdifferenz entlang der betrachteten Geometrie ergibt sich ein elektrisches Feld E(t).

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Hohe Impedanz und hohe Spannungsdifferenz

Je höher die Impedanz des primären Strompfads ist, umso höher ist die Spannungsdifferenz und damit das entstehende E-Feld. Das Feld überträgt die Störung über kapazitive Kopplung als Verschiebestrom i(t) in sekundäre Schleifen wie Signalleitungen oder IC-Pins. Dieser Vorgang lässt sich durch eine Koppelkapazität C, die im fF-Bereich liegt, beschreiben. Am Innenwiderstand der sekundären Schleife entsteht durch den kapazitiv eingekoppelten Strom i(t) eine Störspannung. Die Störspannung kann an einem IC-Pin anliegen und den IC beeinflussen: Verschiebestrom i(t) = C * du/dt (3). In beiden Fällen, durch Magnetfeld und E-Feld verursachte Kopplung, wird beim Übergang vom primären Störkreis in den sekundären Wirkungskreis die Störgröße um einen Faktor (Gerätefaktor) verringert und liegt an der aktiven Elektronik an.

Die bei einem ESD-Gerätetest üblichen Störspannungen von 6 kV reduzieren sich abhängig von der Impedanz im primären und im sekundären Störkreis auf eine Spannung von 0,1 V bis mehrere 100 V. Auf der Leiterplatte bestückte ICs sind den störungsgetriebenen Magnetfeldern H(t) und E-Feldern E(t) ausgesetzt. Die magnetische Flussdichte Bst(t) durchdringt kleinste Leiterschleifen, beispielsweise zwischen einem IC und einem angeschlossenen Stütz-Kondensator. In der Leiterschleife wird durch den magnetischen Fluss Φ eine Spannung Ust induziert.

(Formel 4)
(Formel 4)

Ust = dΦ/dt (Formel 5). Die Spannung Ust treibt einen Störstrom in den IC hinein. Die Impedanz der Störquelle ist niedrig. Grund ist die Leiterschleife. Das kann zu hohen Strömen Ist(t) führen.

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