Was der EMV-Parameter von Steckverbindern bringt

Autor / Redakteur: Carsten Stange * / Kristin Rinortner

Durch Messen der Koppelinduktivität können die Auswirkungen der Steckverbinder auf die angeschlossenen Signale im System vorab bestimmt werden. Im Beitrag lesen Sie, wie das funktioniert.

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Die EMV der Steckverbinder: Derzeit gibt es keinen Parameter für Steckverbinder, der das EMV-Verhalten hinreichend charakterisiert.
Die EMV der Steckverbinder: Derzeit gibt es keinen Parameter für Steckverbinder, der das EMV-Verhalten hinreichend charakterisiert.
(Bild: Langer EMV-Technik)

In den letzten Jahren wurden elektrische Geräte immer kleiner und kostengünstiger. Ein Grund dafür sind die neuen Anforderungen, die unter anderem mit den Modenamen „Industrie 4.0“ oder „Internet of Things“ entstanden sind. Diese Anforderungen setzen im Gerätebau ein hohes Maß an Integration voraus. Allerdings kann dieses Maß an Integration nicht komplett mit neuen Ausbaustufen von Integrierten Schaltkreisen erreicht werden.

Mit einem modularen Aufbau der Geräte können diese aus Herstellersicht schneller und damit günstiger entwickelt bzw. weiterentwickelt werden. Weiterhin werden unterschiedliche Module der Geräte in verschiedenen Entwicklungsstandorten erzeugt.

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An den Modulgrenzen kommen Steckverbinder zum Einsatz, um die Module zu einem Gesamtsystem zusammenzufügen. So entstehen Geräte, in denen sich viele Modulübergänge befinden. Die Interfaces der Module sind unterschiedlich parametrisiert bzw. ausgelegt, um ihre elektrischen Funktion zu sichern.

Bei der Auswahl der Steckverbinder fließen allerdings nur wenige Gedanken über die EMV-Charakteristik des Moduls beziehungsweise des gesamten Systems. Die Steckverbinder werden momentan nur anhand einiger elektrischer und mechanischer Eigenschaften ausgewählt. Diese sollen beispielsweise sicherstellen, dass LVDS-Signale ohne Problem übertragen oder hohe Ströme abgeleitet werden können.

Nach der Entwicklung müssen letztendlich alle Geräte EMV-Tests unterzogen werden, um ihre Einsatzfähigkeit in ihrer Einsatzumgebung zu gewährleisten. Die EMV-Gerätetests finden anhand von Prototypen statt. Somit werden alle Module erst in ihrer Kombination auf ihre EMV-Qualität untersucht. Dies birgt das Risiko, dass eventuelle Probleme erst zu diesem Zeitpunkt erkannt werden. Damit sind diese Probleme unter Umständen nur mit großen zeitlichen und finanziellen Mitteln behebbar.

Der modulare Aufbau der Geräte bietet aus EMV-Sicht die Möglichkeit, alle Unterbaugruppen der Geräte einzeln mit EMV-Tests zu überprüfen. Dazu sollten die EMV-Ziele an den Grenzflächen der Module ausreichend definiert sein. Diese Definitionen gelten dann auch für die Steckverbinder, da diese als Bindeglieder der Elektronikbausteine fungieren.

Das Problem besteht darin, dass es aktuell keinen Parameter für Steckverbinder gibt, der ihr EMV-Verhalten hinreichend charakterisiert. Zudem sollte dieser Parameter auch für beide Richtungen der EMV also für die Störaussendung und die Störfestigkeit gelten.

Aufgrund des aktuellen Standes der Technik liegen die Baugrößen der Steckverbinder deutlich über den Signalleitungsabständen, die in aktuellen Leiterkarten erreicht werden können. Damit können Signalleitungen in Leiterkarten deutlich besser vor parasitären Effekten geschützt werden als in Steckverbindern. Aus diesem Grund sind oft die Steckverbinder EMV-Schwachstellen in modularen Systemen.

Der EMV-Parameter für Steckverbinder

Aufgrund der multiphysikalischen Zusammenhänge in Steckverbindern und um die Koppelmechanismen in Steckverbindern beschreiben zu können, ist ein Modell eines Steckverbinders nötig. Das Modell besteht aus einer einfachen Anordnung aus zwei durch einen Steckverbinder verbundenen Baugruppen. Alle Elemente werden zudem auf die Basiselemente reduziert.

Bild 2 zeigt das aus dieser Vereinfachung entstandene „abstrakte Steckverbindermodell“. Es stellt eine Verbindung zweier Baugruppen (A und B) über einen vereinfachten Steckverbinder dar. In diesem sind alle Schirm bzw. Groundstifte oder Flächen auf einen Stift reduziert.

Weiterhin wird in diesem Fall nur ein Signalstift betrachtet, der auf der Baugruppe A getrieben wird und in Baugruppe B an einem Schaltkreiseingang angeschlossen ist. Fließt ein Störstrom von Baugruppe B zu Baugruppe A ab, wird dieser über die Schirm bzw. Groundverbindungen des Steckverbinders abgeleitet.

Das dabei entstehende Magnetfeld durchflutet die durch den Aufbau gebildete Schleife zwischen dem Signal und Groundstift. Diese Durchflutung induziert am Signalstift eine Spannung. Die Spannung fällt am hochohmigen Schaltkreiseingang ab und kann zu Störungen der Elektronik führen.

Die Verkopplung im Steckverbinder ist auch für die Störaussendung in gleicher Weise wirksam. Bild 2 illustriert die Verhältnisse bei Störfestigkeit (linke Grafik) und Störaussendung (rechte Grafik). Hierbei führt der Rückstrom eines getakteten Signales zu Potentialverschiebungen der Bezugsysteme von Baugruppe A und B. Dieser Potentialunterschied ist die Triebkraft der Störaussendung des Systems.

Die mathematische Beschreibung dieser unterschiedlichen Wirkungen beruht auf dem Induktionsgesetz (Gleichung 1 und 2 in Bild 2). Dabei sind Uind die induzierte Spannung, Istör der Störstrom und ω die Kreisfrequenz. Aus Gleichung 2 wird deutlich, dass zur Beschreibung der Verkopplung nur ein Wert genügt. Dieser Wert L heißt Koppelinduktivität. Der Parameter ist fest mit der mechanischen Konstruktion des Steckverbinders verbunden und somit charakteristisch für jeden Steckverbinder und dessen Belegung.

Somit ist eine gezielte Auswahl des Steckverbinders oder der Belegung für unterschiedliche Anforderungen möglich.

Aufgrund der mechanischen Struktur der Steckverbinder ist die Koppelinduktivität kein fester Wert, der für den gesamten Steckverbinder gleich ist. Die Koppelinduktivität ist eine signalbezogene Größe. Allerdings können auch andere externe Einflussfaktoren (z.B. nahe metallische Wände oder andere Bauelemente) einen Einfluss haben. Daher ist die schnelle Bestimmung des Parameters unter Berücksichtigung von eventuell auftretenden externen Einflüssen der Entwicklungsphase notwendig.

Die Koppelinduktivität bestimmen

Die Koppelinduktivität bestimmt man mit einer speziell angepassten Messapparatur. Sie dient dazu, verschiedene Querempfindlichkeiten der Messung zu reduzieren. Da die Koppelinduktivität eine Konstante ist, die nur von der Geometrie der Steckverbinder abhängt, kann man sie auch bei unterschiedlichen Frequenzen messen. Es ist also nicht erforderlich, den Parameter bei sehr hohen Frequenzen zu bestimmen, die einen HF-konformen Aufbau bis einige GHz voraussetzen würden.

Daher ist der gewählte Messaufbau eher darauf ausgelegt, schnell Ergebnisse zu erzielen. Weiterhin lassen sich viele verschiedene Konfigurationen des Messobjektes testen, die nahezu in Echtzeit ausgewertet werden können. Dazu zählen Modifikationen der Umgebung des Steckverbinders, da alle metallischen Körper in der Nähe der Steckverbinder einen Einfluss auf die Magnetfeldverteilung im Inneren des Steckverbinders haben und sich auf die Koppelinduktivität auswirken.

Bei der Optimierung eines Steckverbinders wird selbiger allein stehend auf einer Testleiterkarte aufgebracht. Diese Leiterkarte dient dazu, Querempfindlichkeiten zu vermeiden und somit eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten. Der Steckverbinder wird nach allen vorliegenden Restriktionen (Hersteller-seitig) bestückt und ein erstes Mal vermessen. Für die Messung benötigt der Entwickler die Messapparatur, die Einkoppelprobe und einen Spektrum-Analysator.

Der Spektrum-Analysator generiert ein über die Frequenz konstantes Signal, das mittels der Durchleitungsprobe/Einkoppelprobe P550 in das Schirmsystem des Steckverbinders eingespeist wird. Das Ausgangsspannungssignal des betrachteten Signalstiftes wird gemessen und mit einer speziellen Software angezeigt.

Die Koppelinduktivität wird über eine Software bestimmt, die aus den Messdaten die Koppelinduktivität errechnet. Der auswertbare Frequenzbereich der Messapparatur liegt abhängig von der Baugröße der Steckverbinder bei ca. 1 MHz bis 1 GHz. Durch die direkte Messung des Ausgangssignals können in Echtzeit Änderungen oder kleine Modifikationen oder Änderungen der Rahmenbedingungen wie äußerer mechanischer Druck oder genäherte Metallteile eingebracht und deren Auswirkung auf das Messsignal erfasst werden.

Nach einigen Messdurchläufen hat der Ingenieur dann zahlreiche Messkurven, aus denen die nötigen Geometrieänderungen extrahiert werden können. Für den Anwender von Steckverbindern sind die Werte der Koppelinduktivität der unterschiedlichen Signalstifte wichtig. Sie ermöglichen die gezielte Auswahl der Stiftbelegung in dem Steckverbinder.

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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