Störfestigkeit untersuchen

Vom Gerätetest zu einem IC-Testsystem, Teil 2/2

| Redakteur: Hendrik Härter

In unserem Artikel zeigen wir, wie sich die Störfestigkeit auf dem Niveau eines ICs untersuchen lässt.
In unserem Artikel zeigen wir, wie sich die Störfestigkeit auf dem Niveau eines ICs untersuchen lässt. (Bild: Tomizak, pixelio.de)

Die EMV-Anforderungen einzuhalten ist eine anspruchsvolle Aufgabe für den Entwickler. Im zweiten Teil gehen wir auf die Strukturbreite ein und wie sich die Störfestigkeit beherrschen lässt.

Die EMV-Anforderungen einzuhalten ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Im ersten Teil (19/2016) unserer Serie zeigten wir, wie die Störfestigkeit auf dem Niveau eines ICs untersucht wird [1].

Die elektrische Feldstärke E(t) oder der auf die Leiterfläche bezogene Verschiebestrom D(t) erzeugt im Leiter einen Störstrom Ist(t). Er bewirkt auf der Leiterfläche eine Spannungsanhebung Ust(t). Sie 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. Um die Störspannung am IC abschätzen zu können, wird ein positiver Störpuls der Amplitude 6 kV als Kontaktentladung in den primären Störkreis eingespeist. An der primären Impedanz R1 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 sein als 1 kOhm, so dass Störspannungen am IC-Pin den Wert von 100 V überschreiten. Damit werden die im Datenblatt angegebenen Maximum Ratings von ICs deutlich überschritten.

Die Schutzmechanismen bei einer Überspannung

Bei einer Flankensteilheit von 1 ns ergibt sich eine Übertragungsfrequenz von höchstens 1 GHz. Vorerst wird angenommen, dass die Koppelkapazität C1 = 1 pF ist. Sie hat dann eine Impedanz X = 159 Ohm. Wenn der Eingangswiderstand des ICs bei 10 k liegt, ist er viel größer als der Quellwiderstand (Impedanz von C1). Der an R2 des ICs anliegende Störpuls hat die gleiche Kurvenform wie der primäre Störpuls. Es ergibt sich eine proportionale Spannungsteilung mit dem kapazitiven Teiler C1, C2: Ri des IC >> Xc1. Völlig andere Verhältnisse ergeben sich, wenn die Lastimpedanz geringer ist als die Quellimpedanz.

Bei der H-Feld-Kopplung sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Bei Leerlauf Ric >> Xss wird differenziert, ist Ric < Xss wird stromgeteilt. Das Verhalten bei der E-Feldkopplung lesen Sie in [1].

Empfindliche Strukturen im IC schützen

Damit die empfindlichen Strukturen in ICs nicht durch Überspannungen zerstört werden, sind verschiedene Schutzmechanismen integriert. Beim Design der Schutzeinrichtungen geht man davon aus, dass der zu schützende IC nicht mit Betriebsspannung versorgt ist, sich also nicht in Funktion befindet. Damit ist der IC vor zu hohen elektrostatischen Spannungen geschützt.

Im Gegensatz dazu werden bei den beschriebenen Gerätetests die ICs an Versorgungsspannung und in Funktion betrieben. Schutzschaltungen können im praktischen Betrieb (IC versorgt) unter Störeinfluss unbeabsichtigt innere Kurzschlüsse hervorrufen. Die in die ICs integrierten Schutzstrukturen werden vom IC-Hersteller nicht veröffentlicht. Vereinfacht kann man davon ausgehen, dass die folgenden Mechanismen wirken:

  • Überspannung an Versorgungsanschlüssen wird durch Strukturen begrenzt, die funktionell Z-Dioden entsprechen und
  • an Ein- und Ausgängen erfolgt die Begrenzung von Überspannungen durch Dioden- oder Transistorstrukturen gegen die Versorgungsspannungsanschlüsse.

Die unterschiedlichen Lastimpedanzen

Abhängig vom zu testenden IC-Pin sind die Lastimpedanzen unterschiedlich. An Stromversorgungsanschlüssen kann man von einer niedrigen Lastimpedanz ausgehen. Hier wird ein kapazitiv eingekoppeltes Signal wie oben beschrieben differenziert. Wird das Signal induktiv eingekoppelt, erfolgt eine Spannungsteilung. An IC-Eingängen ist die Impedanz relativ hoch, solange man im spezifizierten Pegelbereich bleibt.

Wird die Begrenzungsspannung der Schutzschaltung überschritten, reduziert sich über die eingebauten Schutzschaltungen und die Stromversorgung die Impedanz. Ursache dafür ist das kapazitiv überbrückte Versorgungssystem. Somit ergibt sich eine Kombination aus spannungsteilendem Verhalten und Differenzieren in Kombination mit der spannungsbegrenzenden Wirkung der Schutzelemente. Beim Einfließen von Störstrom über die Schutzschaltungen in den IC können innere Funktionsfehler ausgelöst werden.

Je nach Eigenschaften der Dioden treten unterschiedliche Kurvenverläufe auf. Erkennbar ist der erhebliche Störstrom (I(D1)) von 2 A, der über die Dioden in das Stromversorgungsystem fließt. Das trifft beim Gerätetest nach IEC 61000-4-2 ESD ein, allerdings auch bei normalen Applikation eines ICs, wenn es zu einer elektrostatischen Entladung kommt.

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