Störfestigkeit untersuchen

Vom Gerätetest zu einem IC-Testsystem, Teil 1

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Die E-Feldeinkopplung in ICs

Die elektrische Feldstärke E(t) bzw. der auf die Leiterfläche bezogene Verschiebestrom D(t) (Bild 6) erzeugt im Leiter einen Störstrom Ist(t). Er bewirkt auf der Leiterfläche eine Spannungsanhebung Ust (t). Diese Spannungsanhebung kann logische Signale verfälschen, die auf der Leitung übertragen werden. Der Verschiebestrom Ist(t) kann auch in ICs einfließen und weitere Störvorgänge auslösen. Die Störquelle „Elektrisches Feld“ besitzt eine hohe Impedanz. Die folgenden Simulationen (Bild 7 bis Bild 12) zeigen die prinzipiellen Verhältnisse. Im Bild 7 wird der erzeugte ESD-Pulse stark vereinfacht realisiert. Die Ersatzschaltung basiert auf Bild 4.

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Um die Störspannung am IC abzuschätzen, wird ein positiver Störpuls der Amplitude 6 kV als Kontaktentladung in den primären Störkreis eingespeist (Bild 7). An der primären Impedanz R1 (Ableitweg Bild 4) entsteht eine Störspannungsspitze Ust von 1,4 kV. Durch kapazitive Kopplung (Elektrisches Feld) über C1 liegen an einem hochohmigen IC-Pin immer noch eine Störspannung von 13,5 V an. Die Impedanz des primären Störkreises kann deutlich größer als 1 kOhm sein, so dass Störspannungen am IC-Pin den Wert von 100 V überschreiten können. Damit werden die im Datenblatt angegebenen Maximum Ratings von ICs deutlich überschritten.

Die verschiedenen Kopplungsarten

Die Art der Kopplung ist weiterhin abhängig vom Verhältnis der Quellimpedanz zur Lastimpedanz, also zur Eingangsimpedanz des ICs. Bei der E-Feld-Kopplung und einer Flankensteilheit von 1 ns ergibt sich eine Übertragungsfrequenz von maximal 1 GHz. Vorerst wird angenommen, dass die Koppelkapazität C1 = 1 pF ist. Sie hat dann eine Impedanz X von 159 Ohm. Wenn der Eingangswiderstand des ICs bei einem Wert von 10 kOhm liegt, ist er viel größer als der Quellwiderstand (Impedanz von C1). Daraus folgt, dass der an R2 (am IC) anliegende Störpuls die gleiche Kurvenform hat wie der primäre Störpuls. Es ergibt sich eine proportionale Spannungsteilung mit dem kapazitiven Teiler C1 und C2. Ri des IC >> XC1.

Völlig andere Verhältnisse ergeben sich, wenn die Lastimpedanz geringer ist als die Quellimpedanz. Im folgenden Beispiel ist R2 = 100 Ohm, C1 = 10 fF. Ri des IC < Xc1. Unter diesen Bedingungen liegt der primäre Störpuls differenziert am IC an (Bild 9, Bild 10).

Bei der H-Feld Kopplung sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Ric >> Xss wird differenziert, ist Ric < Xss wird stromgeteilt. Die Zusammenfassung der Koppelmechanismen ist im Bild 11 dargestellt. Bei der H-Feld-Kopplung wird das Trafoersatzschaltbild mit Hauptinduktivität (Lh) und Streuinduktivität (Ls) zugrunde gelegt.

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