Was der EMV-Parameter von Steckverbindern bringt

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Wie man den EMV-Parameter anwendet

Das folgende Beispiel soll die bisherigen Ausführungen anhand praktischer Gesichtspunkte verdeutlichen. Als reale Baugruppe steht ein einfaches Übertragungssystem zur Verfügung. Auf der unteren Platine wird ein Rechtecksignal erzeugt und über einen Pfostensteckverbinder auf die obere Leiterkarte übertragen (Bild 4). Der Steckverbinder ist so aufgebaut, dass er durch einstecken von Kontaktstiften in seiner Belegung verändert werden kann.

Auf der zweiten Leiterkarte befindet sich ein Empfänger und verschiedene Möglichkeiten, das übertragene Signal auszuwerten. Die obere Leiterkarte ist nur über den Steckverbinder mit dem Bezugssystem der Elektronik verbunden. Über den weiterhin auf der Leiterkarte befindlichen Laborsteckverbinder werden nachfolgend Störströme aus einem Burstgenerator in dieses System eingespeist und die Auswirkungen auf die Signalübertragung beobachtet. Dieser Testaufbau ist vergleichbar mit Anordnung von Steckmodulen, an denen Peripheriegeräte angeschlossen sind.

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Im ersten Schritt werden über die Laborsteckverbinder Burstimpulse aus einem Norm-Burst-Generator eingespeist. Durch Veränderung der Belegung des Steckverbinders verändert der Entwickler auch die Koppelinduktivität. Somit werden die Burstimpulse in unterschiedlicher Höhe übertragen.

Um den Vergleich der Ergebnisse zu vereinfachen, wird die Höhe der Pulsspannung auf 500 V begrenzt. Vier unterschiedliche Belegungen des Steckverbinders werden im System gemessen und verglichen (Bild 6). Aus den Pulshöhen wird nach Gleichung 2 die Koppelinduktivität errechnet. Die Induktivitätswerte werden mit denen aus einer am gleichen Steckverbinder durchgeführten Koppelinduktivitätsmessung verglichen. Hierzu wurde der im Testmodell eingesetzte Steckverbinder im Koppelinduktivitätsmessplatz vermessen.

Die Messergebnisse für den Steckverbinder stimmen gut überein. Durch die vergleichsweise hohen parasitären Effekte bei Messungen an einem kompletten System sind die Werte der direkten Steckverbindermessung als genauer einzuordnen. Trotzdem lassen sich die Störungen im System ausschließlich durch die Koppelinduktivität beschreiben. Weiterhin können aus den gemessenen Werten der Koppelinduktivität die erzeugten Signalpegel errechnet und damit die maximalen Störgrößen für das Gerät abgeleitet werden.

Spezialfall differentielle Übertragungssysteme

Die Koppelinduktivität ist fest mit dem Aufbau des Steckverbinders verbunden. Dies gilt auch bei differentiell arbeiteten Übertragungssystemen. Allerdings sind in diesen Systemen zwei unterschiedliche Verkopplungsmodi zu unterscheiden: Gleichtakt und Gegentakt.

Der Gleichtakteinfluss auf differentielle Systeme entspricht der oben beschriebenen Verkopplung in Einzelsignalsystemen. Allerdings wirkt sich die Koppelinduktivität auf beide Leiter der differentiellen Übertragungsstrecke in gleicher Höhe aus. Über die Koppelinduktivität werden die Potenziale der beiden Signalleiter gegenüber dem Bezugssystem der Elektronik gleichmäßig verschoben.

Das Magnetfeld, das zwischen den differentiellen Signalen hindurch tritt, verschiebt die Übertragungssignalpotenziale gegeneinander. Dieser Effekt ist analog zum Gleichtaktanteil der Koppelinduktivität. Allerdings sind aufgrund des allgemeinen Aufbaus einer differentiellen Übertragungsstrecke die Gegentakt-Koppelinduktivitäten niedriger als die Gleichtakt-Koppelinduktivitäten. Bild 9 verdeutlicht die unterschiedlichen Wirkungsweisen der beiden Anteile der Koppelinduktivität.

In beiden Bildern ist die Auswirkung einer Entladung (150 pF; 330 Ohm) auf ein LVDS-Übertragungssystem dargestellt. Dabei wurden die Verkopplungen mit speziellen, jeweils nur einen Anteil der Koppelinduktivität erzeugenden, Kopplungsadaptern realisiert, da diese beiden Anteile der Koppelinduktivität in Baugruppen immer gleichzeitig in unterschiedlichem Maß wirken. Die abgebildeten gegenphasigen Signale (blau; rot) sind die beiden differentiellen Datenleitungen des LVDS-Systems. Das grüne Signal zeigt die Messung des Ausgangssignals des Empfängerschaltkreises. Im linken Bild ist die gleichförmige Anhebung der beiden differentiellen Signale zu erkennen. Die Pulsform der Störung zeigt eine Differenzierung der ESD-Pistolen-Störstromkurve. Dies verdeutlicht den transformatorischen Übertragungscharakter.

Das Ausgangssignal des Empfängers ist während der gesamten Störungsperiode ebenfalls gestört. Eine rein differentielle Einkopplung in die differentiellen Signaladern verursacht die im rechten Bild gezeigte Potentialverschiebung des differentiellen Signalpaares. Beide Signaladern werden in unterschiedliche Richtungen ausgelenkt. Dabei wird ebenfalls das Übertragungssystem über dessen Grenzen beansprucht, was zu einer Störung des Ausgangssignales führt.

Zusammenfassung

Steckverbinder können in unterschiedlichen Systemen den Flaschenhals bei den EMV-Eigenschaften bilden. Durch die Messung der Koppelinduktivität kann die Auswirkung der Steckverbinder auf die angeschlossenen Signale vorab bestimmt werden. Anhand der Messungen an einem realen System wurde die Richtigkeit der Betrachtungsweise dargelegt. Damit können ganze Baugruppen an ihren Grenzen, den Steckverbindern, EMV-technisch ausgelegt werden. Das führt zu schnelleren und einfacheren EMV-Untersuchungen.

* Dipl.-Ing. Carsten Stange ist Entwicklungsingenieur bei der Langer EMV-Technik in Bannewitz.

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