Engineering

Entstörung

Kein Kunde will hier lesen, welche EMV-Probleme er hatte.

Deswegen wurden alle hier genannten Beispiele anonymisiert.

Sie sind alle so passiert.

1) Fehler im Gesamtsystem

Kunde: ein großer Fahrzeughersteller

 

Ich saß gerade über einer kniffligen Aufgabe als das Telefon klingelte - am andere Ende der EMV-Verantwortliche einer Produktreihe eines Weltkonzern.

 

Wenige Wochen vor dem Großserienanlauf war bei einer Störfestigkeitsprüfung ein zentrales Sicherheitssystem komplett ausgefallen. Die Zeit war knapp - es musste sofort eine Lösung her. Der Verursacher schien bereits lokalisiert. Nur wenn ein bestimmtes Steuergerät verbaut war, trat der Fehler auf. Ersetzte man es durch einen funktionalen Dummy lief die Prüfung fehlerfrei durch.

 

Die Analyse zeigte jedoch, dass Fehlerbilder und vermeintliche Ursachen nicht mit den Ergebnissen von parallel durchgeführten Untersuchungen auf Komponentenebene in Übereinstimmung zu bringen waren.

 

Verschiedene Ansätze wurden überprüft und ausgeschlossen. Irgendwann war klar, dass der Fehler nicht im verdächtigten Steuergerät liegen konnte. Die Korrelation war zwar gegeben, die Kausalität nicht. Der Blick nach außen auf das System brachte die Lösung.

 

Verkabelung - kleiner Fehler - fatale Folgen

Ein anderes Steuergerät - über ein Bussystem mit dem ersten verbunden - hatte eine ungewöhnlich lange Masseanschlussleitung. Leider waren die Informationen zum Gesamtsystem nicht vollständig verfügbar. Bei einer hohen 2-stelligen Lieferantenzahl allein im elektrischen System nicht überraschend. Außerdem: Der Verursacher schien ja klar.

 

So musste wir uns zeitaufwändig die Zusammenhänge erarbeiten. Die Versorgungsleitung des verdächtigten Steuergerätes konnte als Störantenne nachgewiesen werden. Über die Filterstrukturen wurden die Störungen EMV-konform gegen Masse abgeleitet. Über die Impedanz der langen Masseleitung des anderen Steuergerätes fiel aber nun eine so hohe Störspannung ab, dass das zweite Steuergerät über das zulässige Potential "angehoben" wurde. Die Buskommuniktion fiel aus und in Folge das Sicherheitssystem.

 

Die EMV-Störung brachte somit einen zweiten Fehler zum Vorschein - eine unzureichende Redundanz im Sicherheitssystem. Eine Verkürzung der Masseleitung auf das mechanisch notwendige beseitigte den EMV-Fehler. Einer Zulassung stand aus EMV-Sicht nichts mehr im Wege.

 

Am Ende waren über 30 Entwickler verschiedener Fachdisziplinen (plus diverser Führungskräfte) über Tage in die Lösungsfindung involviert - wegen einer Leitung die länger war als notwendig.

2) Layout und Versorgung

Kunde: weltweit agierender Maschinenbauer

 

Ein Steuergerät zur Ansteuerung eines LCD-Displays und Verarbeitung diverser Bussysteme in Kombination mit Audio- und anderen analogen Signalen zeigte Schwächen bei Tests zur Störfestigkeit. Zusätzlich kam es auch bei ESD-Tests zu Funktionsbeeinträchtigungen. Die Schaltung wurde schon mehrfach überarbeitet ohne den entscheidenden Durchbruch zu erzielen. Nach intensiver Analyse der Schaltung, des Layouts und der Systemumgebung kristallisierte sich heraus, dass mit Filtermaßnahmen in Form von realen Bauelementen das Problem nicht zu lösen war.

 

Die Lösung bestand in einer Umgestaltung des Versorgungs- und Massesystems. Hierzu musste das Layout in großen Teilen überarbeitet werden. Die verteilten Massen wurden bis auf 2 reduziert (eine durchgängige Hauptmasse und eine lokale Zusatzmasse auf anderer Leiterplatten-Ebene (!) zur zusätzlichen Entkopplung der Rückströme). Die meisten Versorgungsspannungsniveaus bekamen Ihre eigene Insel. Zusätzlich wurde ein konsequentes Zonenkonzept eingeführt. Somit konnten die besonders sensitiven Schaltungsteile von den Störungen entkoppelt werden. 

 

Am Ende konnten einige der mit realen Bauteilen aufgebauten Filter geringer dimensioniert werden. Nebeneffekt: Die Stückkosten reduzierten sich, ebenso die Fertigungskosten; bei 150.000 Stück pro Jahr.

3) Die räumliche Anordnung macht den Unterschied

Kunde hier war einer der größten Tier 1 der Automobilindustrie.

 

Es ging um eine hoch integrierte Schaltung mit mehreren DC-DC-Wandlern. Jeder Wandler hatte sein eigenes mittels Netzwerksimulation optimiertes Filter. Die prinzipielle Wirkungsweise war nachgewiesen. Dennoch lagen die Emissionen deutlich über dem zu erwartenden Maß und leider auch über den einzuhaltenden Grenzwerten.

 

Es musste weder an der Schaltung noch an der Mechanik etwas geändert werden. Die Lösung lag in der räumlichen Anordnung der verschiedenen Filterstufen. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse waren die Filterstufen so angeordnet, dass die Eingangsseite des Filters von Wandler A neben der Ausgangsseite des Filters des Wandlers B angeordnet war. Dadurch kam es sowohl zu einer induktiven als auch einer kapazitiven Verkopplung. Die Störungen von Wandler A konnten so die Filter umgehen und über den Ausgang des Filters B nach außen gelangen.

 

Eine andere geometrische Anordnung der Filterstufen zueinander brachte eine Reduktion der Emissionen im relevanten Bereich um 15 dB und führten zur Einhaltung der Grenzwerte.