Mikrocontroller- Emissionsmessung mit BISS

Spezielle EMV-Testspezifikation macht vergleichbare Testberichte möglich

Die Unternehmen Bosch, Siemens VDO und Infineon haben sich vor einigen Jahren zusammengetan, um – basierend auf den internationalen Messstandards IEC 61967 und 62132 – zeitgemäße, einheitliche EMV-Messvorschriften für ICs zu erarbeiten. Ergebnis ist die Spezifikation BISS, die Herstellern lizenzfrei zur Verfügung steht. * Thomas Steinecke

ICs für die Automobilelektronik müssen seit vielen Jahren EMV-Anforderungen erfüllen, die seitens der Steuergerätehersteller in hauseigenen EMV-Spezifikationen beschrieben sind. Obwohl dort meist auf die internationalen Standards IEC 61967 für Störemission und IEC 62132 für Störfestigkeit verwiesen wird, lassen die Prüfberichte der Hersteller selten einen Vergleich zu. Der Grund für diese Misere sind die Inhalte der mittlerweile in die Jahre gekommenen Standards. Sie decken die funktionale und topologische Komplexität heutiger ICs nicht mehr ab, sodass die Hersteller auch nicht gezwungen sind, die für die EMV tatsächlich interessanten Einstellungen bei der Messung zu aktivieren. Die im Automobilzuliefermarkt tätigen Firmen Bosch, Siemens VDO (heute Continental) und Infineon haben sich deshalb zusammengetan, um integrierte Schaltungen nach Funktionsklassen zu spezifizieren und relevante Testvorschriften auf Basis der IEC-Standards zu entwickeln, die vergleichbare EMV-Bewertungen über Herstellergrenzen hinweg ermöglichen. Die erste „EMV-Testspezifikation für ICs“ oder „Bosch-Infineon-SiemensVDO-Spezifikation“, kurz „BISS“, steht heute in der Version 1.2 allen Halbleiter- und Systemherstellern zur Verfügung; eine komplett überarbeitete Version ist für 2009 geplant. Die Durchführung von Emissionsmessungen nach dem BISS-Papier wird hier am Beispiel von Mikrocontrollern erläutert.

Messverfahren und Testleiterplatte

Aus der Vielfalt der spezifizierten Messverfahren für die elektromagnetische Emission und Störfestigkeit wählt die Testspezifikation BISS für Mikrocontroller drei Verfahren aus:

▶
Leitungsgeführte Emission gemäß IEC 61967-4,
▶
Gestrahlte Emission gemäß IEC 61967-2 und
▶
Leitungsgeführte Störfestigkeit gemäß IEC 62132-4 (DPI).

Alle drei Messverfahren werden auf einer gemeinsamen IC-spezifischen Testleiterplatte implementiert. Ein solches Kombi-Board (Abbildung 1) muss insbesondere der Mini-TEM-Zellen-Messung Rechnung tragen, indem es Kantenlängen von zehn Zentimetern aufweist und den Mikrocontroller-Prüfling isoliert auf der Boardunterseite bestückt.

Die kleinen Abmessungen des Testboards erlauben nur eine limitierte Zahl von Messbuchsen, sodass im Vergleich zur Originalnorm nicht mehr alle IC-Pins getestet werden können. Die Auswahl der Testpunkte erfolgt pragmatisch entsprechend BISS. Dort werden lokale und globale Pins unterschieden. Globale Pins haben typischerweise eine galvanische Verbindung zum Steuergerätestecker, während die Signale lokaler Pins auf der Steuergeräteplatine verbleiben. Für typische Automotive-Mikrocontroller bedeutet dies, dass eigentlich nur alle Spannungsversorgungen messbar sein müssen. I/O-Pins sind in der Regel lokale Pins, die entweder verschiedene Komponenten auf der Leiterplatte lokal verbinden oder mindestens über passive Bauelemente oder aktive Treiber – also galvanisch getrennt – zum Gerätestecker gehen. Um dennoch eine Aussage über das Störpotenzial verschiedener I/O-Pins zu erhalten, werden ein mittiges Pin pro Gehäusekante und zusätzlich kritische Pins wie Reset oder NMI, die wegen ihrer oft komplexen Netze ein höheres Störpotenzial besitzen, mit SMA-Messbuchsen beschaltet. Diese sind über ein Koppelnetzwerk mit dem zu beurteilenden Signal verbunden. Bei Störemissionsmessungen ist dies sowohl für Versorgungsnetze als auch für Signale das 150-Ohm-Netzwerk aus IEC 61967-4 (Abbildung 2). Die im IEC-Standard vorgeschlagene 1-Ohm-Summenstrommessung ist ungeeignet für die Differenzierung des Störpotenzials auf unterschiedlichen Versorgungsnetzen, wie sie heutige Mikrocontroller aufweisen.

Auswahl der Emissionstests

BISS definiert alle ICs als eine Sammlung von Funktionsmodulen. Unabhängig von seiner Funktion besteht jeder einzelne Mikrocontroller mindestens aus folgenden Modulen:

▶
Ein oder mehrere Spannungsversorgungsnetze,
▶
Oszillator, PLL, Taktbaum,
▶
CPU, Peripheriefunktionen, Speicher,
▶
Port-Register und
▶
I/O-Pins.

Bei der Beurteilung des Störpotenzials sind die Funktionsmodule bezüglich ihres Beitrags zu bewerten. Typischerweise erzeugt das Taktsystem dominierende Störungen bis in den Gigahertzbereich.

Da es kaum sinnvoll bzw. unmöglich ist, das Taktsystem isoliert zu aktivieren, erfolgt die Emissionsmessung mit aktivierter CPU und weiteren aktivierten Funktionsmodulen wie etwa Interrupt-Controller, On-Chip-Speicher, Timer oder A/D-Wandler. Erfahrungsgemäß hat die Aktivierung oder Deaktivierung dieser Module nur geringen Einfluss auf das Störpotenzial. Sobald jedoch schnelle Signale über I/O-Pins getrieben werden – beispielsweise für einen externen Speicherbus oder eine FlexRay-Kommunikation – können die dadurch erzeugten Störungen dominieren. Bei Störklassen wird also zwischen Taktstörungen und I/O-Störungen unterschieden. In beiden Fällen pflanzen sich die Störungen sowohl über Versorgungspins als auch über I/O-Pins nach außen fort. Im Falle von I/O-Störungen ist es unsinnig, die Störungen des Nutzsignals zu messen, da es sich hierbei um notwendige Schaltvorgänge handelt. BISS sieht die Messung an passiven I/O-Pins vor. Der Unterschied der Störauskopplung zwischen statischen High- und Low-Pegeln ist normalerweise zu vernachlässigen. Für die Betriebsarten des Mikrocontrollers während der Abstrahlmessungen bieten sich somit folgende Möglichkeiten an:

▶
nur Taktsystem und CPU aktiv; keine I/O-Aktivität,
▶
Taktsystem, CPU und Peripherie mit ihren I/Os aktiv; dabei Variation der Padtreiberstärken,
▶
Taktsystem, CPU und externer Speicherbus aktiv (Hierbei kann es interessant sein, zwischen Burst-Mode und asynchronem Mode zu unterscheiden oder auch die Datenlast und gegebenenfalls die Treiberstärken zu variieren.) oder
▶
Taktsystem, CPU und schnelle serielle Schnittstelle (wie FlexRay) aktiv; dabei evtl. Variation von Datenlast und Treiberstärke.

Emmissionsgrenzwertkurven für MCUs

Das BISS-Papier definiert einige Grenzwertkurven. Zu beachten ist, dass diese Grenzwerte keinen verbindlichen Charakter haben, sondern als Orientierung für die IC-Anwender dienen sollen. Signifikante Überschreitungen können zusätzliche Filtermaßnahmen oder Leiterplattenlagen bedeuten, während Unterschreitungen eine entsprechende Reduzierung erlauben. BISS spezifiziert drei Limitkurven speziell für Mikrocontroller mit externem, digitalem Bussystem (Abbildung 3). Um zehn Dezibel höhere Grenzwerte für Signale gegenüber Spannungsversorgungen tragen der Tatsache Rechnung, dass Versorgungssysteme in der Regel besser entstört werden können. Dies liegt an der verfügbaren Fläche sowohl auf dem Chip als auch auf der Leiterplatte.

Vier Schritte zum Testbericht

Alle von Infineon erstellten Testberichte für die Mikrocontroller-Störemission sind wie folgt strukturiert:

▶
Einführung
▶
Übersicht der Test-Hardware
▶
Übersicht der Test-Software
▶
Testergebnisse der leitungsgeführten Emission (150 Ohm)
▶
Testergebnisse der gestrahlten Emission (Mini-TEM)
▶
Ergebnisvergleiche
▶
Zusammenfassende Beurteilung

Als Beispiel dient der TC1797, ein High-End-32-Bit-Mikrocontroller mit TriCore-CPU im BGA-416-Gehäuse. Er läuft intern mit 180 MHz, besitzt eine FlexRay-Schnittstelle sowie einen externen Speicherbus, der Burst- und Asynchron-Modi unterstützt. Die Stärken der Padtreiber sind einstellbar. Die Emissions-Charakterisierung des TC1797 erfolgt in mehreren Schritten.Schritt 1: Definition und Design des TestboardsWährend eine Anwendungsleiterplatte für den TC1797 mit vier Lagen auskommt, erfordert die TEM-Zellen-Messung eine zusätzliche Schirmlage; das Testboard enthält also sechs Lagen. Der externe Speicherbus erfordert den Anschluss eines separaten Flash-Bausteins. Weitere Bauelemente sind Spannungsregler, Oszillatorbeschaltung, Last- und Abblockkondensatoren, Kommunikationsstecker, Konfigurationsschalter und Filterdrosseln. Messbuchsen wurden eingebaut für die drei Versorgungssysteme, für ausgewählte Signale an den vier Seiten des BGA-Gehäuses und für einige sensitive Pins wie ADC-Kanäle und Reset.Schritt 2: Definition der Tests und Programmierung der TestpatternsDie Test-Software sollte eine typische Applikation repräsentieren. Deshalb werden CPU und alle Peripheriefunktionen aktiviert und die zugeordneten Padtreiber auf die schwächste Treiberstärke eingestellt, die die entsprechende Datenrate erlaubt. Falls die typische Anwendung einen dominierenden Störer enthält, sollte die Abstrahlmessung sowohl mit aktiviertem als auch mit deaktiviertem Störer vorgenommen werden, um dessen negativen Einfluss zu zeigen. Zum Beispiel kann der FlexRay-Transmitter als Störer dominieren, da er aufgrund seiner Datenrate von zehn Megahertz einen starken Treiber benötigt. Auch der externe Speicherbus sollte einmal aktiviert und einmal deaktiviert werden. Im aktiven Fall ist es sinnvoll, verschiedene Protokolle (Burst und asynchron) zu vermessen. Außerdem sollte der Aktivitätsgrad von FlexRay und EBU nicht unrealistisch hoch angesetzt sein. Daten werden nicht ständig übertragen, sondern vielleicht nur in 20 Prozent der Zeit.

Gegebenenfalls können Messungen mit stärkeren oder schwächeren Padtreibern dazu dienen, Variationen einer Applikation abzubilden. Eine geringere Taktfrequenz hat nur dann Sinn, wenn sie den Vergleich mit einem Vorgängerprodukt langsamerer Taktrate erlaubt.

Schritt 3: Inbetriebnahme und MessenDie Messung der leitungsgeführten Emission erfolgt an allen vorhandenen Messbuchsen für alle in Schritt 2 definierten Testpatterns. Damit lässt sich der Einfluss von Padtreiberstärken, aktivierten schnellen Datenschnittstellen und externen Speicherzugriffen zeigen. Auch eine örtliche Verteilung der Störungen – beispielsweise verstärkte FlexRay-Störungen auf nahe gelegenen Pins – lässt sich hier dokumentieren. Die gestrahlte Emission wird ebenfalls für alle Testpatterns in der Mini-TEM-Zelle gemessen.Schritt 4: Dokumentation der Ergebnisse im TestberichtDer Testbericht wird den IC-Anwendern als Referenz zur Verfügung gestellt. Das Dokument enthält aussagekräftige Vergleiche – beispielsweise für Emission desselben Testpatterns mit unterschiedlichen Padtreibern oder örtliche Unterschiede der Emission für dasselbe Testpattern. Eine zusammenfassende Bewertung des Emissionsverhaltens rundet den Testbericht ab.

Zusammenfassung

Eine konsequente Anwendung der Testspezifikation BISS liefert die Grundlagen für vergleichbare Mikrocontroller-Emissionstests. Einerseits ermöglicht sie den Systemherstellern den einfachen Vergleich des Abstrahlverhaltens von Bausteinen unterschiedlicher Anbieter, andererseits können sich die IC-Hersteller bei einheitlichen Anforderungen ihrer Kunden auf die BISS-konformen Messungen beschränken. Große Automobilzulieferer haben BISS bereits in ihre hausinternen EMV-Spezifikationen eingebunden. Ihre weitere Verbreitung ist erwünscht; sie wird auf Anfrage vom Autor zugesandt.

Literatur

Dieser Beitrag als PDF und weiterführende Informationen (ähnliche Beiträge, technische Daten, Direktlinks zum Hersteller etc.) sind online verfügbar auf www.EuE24.net

• more@click-Code: EEK80202