Nahfeldbasierte Charakterisierung eines schnellen Bus-Systems zur Bestimmung des Störpotentials und der Auslegung von Filtermaßnahmen

Abstract

Die Auswertung von Nahfelddaten ist ein vielversprechender Ansatz, um die EMV-Eigenschaften von elektrischen Komponenten und Systemen kontaktlos zu analysieren. Kritische Feldemissio-nen und die verursachenden Quellen können in einer beliebigen Messumgebung bestimmt wer-den. Zur Untersuchung von Leiterplatten sind insbesondere Stromrekonstruktionsverfahren wie [1] oder [2] von Interesse, da diese die tatsächliche Stromverteilung in einer untersuchten Struktur bestimmen und so die Ströme in den einzelnen Leiterbahnen identifizieren. In diesem Beitrag geht es um Stromrekonstruktionsverfahren, welche die Kenntnis über die Geo-metrieinformationen zu den Leiterbahnen einer untersuchten Leiterplatte voraussetzen. Diese Verfahren erlauben es in vielen Fällen für kritische Leiterbahnen die Terminierungsimpedanzen zu bestimmen. Anhand dieser Daten ist eine gezielte Auslegung von Entstörmaßnahmen möglich [3]. In [2] und [3] wurden einfache Beispielanordnungen für die Anwendung von Stromrekonstruk-tionsverfahren gewählt, um die grundsätzlichen Potentiale zu analysieren. Hier wurde ein Leiter gezielt angeregt und die Phase der Nahfelddaten war bekannt. Ein großer Abstand zwischen den Leitern vereinfachte die Bestimmung der Stromverteilungen. In Abgrenzung zu vorangegangenen Untersuchungen wird in dieser Arbeit eine realitätsnähere Leiterplattenstruktur untersucht und ihre Stromverteilung mit dem Verfahren aus [2] bestimmt. Hierzu wird im Vorfeld die Fragestellung diskutiert, welche Bedingungen eine Feldmessung erfül-len muss, um die notwendigen Daten zu bestimmen, mit denen eine genaue Rekonstruktion mög-lich ist. Gleichzeitig wird auch untersucht, welche Grenzen das in [2] vorgestellte Verfahren hat, bzw. für welche Strukturen eine befriedigende Rekonstruktion nicht mehr erwartet werden kann. Einen entscheidenden Einfluss hat die Wahl der Messsonde sowie die Positionierung. In [1] wird der Einfluss von Positionierungsfehler auf die rekonstruierten Ströme untersucht, wobei ideale Feldmessungen angenommen werden. Tatsächlich basiert jedoch der Messeffekt von Nahfeld-sonden i.d.R. auf der Integration von Feldstärken in einem aktiven Bereich (bspw. der Induktion in eine Schleifenfläche bei einer magnetischen Nahfeldsonde). Daher liefert die gemessene Span-nung an der Sonde lediglich eine integrale Aussage über das Feld im Sondenbereich. Dies führt zu einem systematischen Messfehler (vgl. [4]). Um solche Fehler zu reduzieren, sollten möglichst kleine Sonden verwendet oder spezielle Messtechniken angewendet werden, wie bspw. die Aus-wertung von Differenzen von leicht versetzten Feldmessungen [5]. Die Beschreibung der Feldver-teilung über eine räumliche Faltung der Messwerte mit der Aufnahmecharakteristik der Feldsonde [6] ist ein weiteres Verfahren zur Fehlerminimierung. Die genannten Verfahren sind jedoch unge-eignet für schwache Feldquellen oder erfordern die Erfassung der Messdaten in einem äquidistan-ten Gitter, was zu sehr langen Messzeiten führen kann. Die in [2] vorgestellte Rekonstruktionsme-thode kann mit wenigen Messdaten im Leiterbahnenbereich gute Ergebnisse erzielen. Dazu wer-den die Sondenspannungen mithilfe von skalaren Übertragungsfaktoren in Feldwerte übertragen. Um zu klären, welcher Einfluss die Wahl einer Feldsonde auf die Rekonstruktionsqualität hat, werden in diesem Beitrag Simulationen vorgestellt und diskutiert. Das Nahfeld einer SPI-Kommu-nikation von zwei Mikrocontrollern auf einer Leiterplatte wird gemessen und die Stromverteilung wird rekonstruiert. Aufgrund einer praxisnahen Signalerzeugung, einer phasenlosen Nahfeldmes-sung und einem kleinen Leiterabstand stellen diese Untersuchungen einen wichtigen Schritt hin zu realitätsnahen Konfigurationen dar und grenzen sich so gegenüber den vorherigen Betrach-tungen ab. Anhand der bestimmten Rekonstruktionsergebnisse wird exemplarisch gezeigt, wie eine Maßnahme zur Unterdrückung von Störemissionen gezielt ausgelegt werden kann. In dieser Arbeit wird zur Bestimmung der Stromverteilung die in [2] vorgestellte Rekonstruktionsmethode verwendet. Bei dieser Methode wird zwischen den Felddaten und der gesuchten Stromverteilung ein inverses Problem formuliert und gelöst. Für die Formulierung wird ein Feldmodell anhand der Leitergeometrie aufgebaut und bei der Lösung werden physikalische Bedingungen wie z.B. die Leitungstheorie berücksichtigt. Die Untersuchungen zu den Bedingungen, unter denen dieses Rekonstruktionsverfahren genaue Ergebnisse liefert, werden im zweiten Kapitel vorgestellt. Danach folgen im dritten Kapitel die Messung, Analyse und Diskussion des SPI-Kommunikation- Demonstrators. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick.