EMV- Bewertung von CAN- Transceivern

EMV- Bewertung von CAN- Transceivern Dipl.-Ing. Bernd Körber, FTZ e.V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) Prof. D. Sperling, FTZ e.V. an d...
Author: Daniel Schulz
25 downloads 3 Views 323KB Size
EMV- Bewertung von CAN- Transceivern Dipl.-Ing. Bernd Körber, FTZ e.V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) Prof. D. Sperling, FTZ e.V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) Prof. T. Form, Volkswagen AG Wolfsburg

Kurzfassung Durch den hohen Vernetzungsgrad elektronischer Baugruppen des Kfz über die beiden CAN- Bus- Systeme kommt diesen Kommunikationssystemen eine zentrale Bedeutung in der Störfestigkeit und Störaussendung des Gesamtfahrzeuges zu. Aus diesem Grund ist der Kfz- Hersteller in starkem Maße daran interessiert, EMVoptimierte Halbleiter als CAN- Transceiver einzusetzen. Im Rahmen einer EMV- Qualifizierung von CANTransceivern sind dabei Messungen zur Störfestigkeit (DPI, Direkte kapazitive Störimpulseinkopplung und ESD) und Störaussendung (VDE- 1 Ω /150 Ω- Methode) durchzuführen. Die Festlegung der Messverfahren und Bewertungskriterien für die Störfestigkeit unterliegt den Forderungen nach Korrelation zu Fahrzeugmessungen, Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, hoher Messökonomie sowie einem hohen Dynamikbereich und damit verbundener Spreizung der Messergebnisse zur Beurteilung derzeitiger und Neuentwicklungen von CAN- Transceivern.

1

Einleitung

CAN- Bussysteme stellen heute eines der zentralen drahtgebundenen Kommunikationssysteme im Kraftfahrzeug dar. Auf Grund dieser zentralen Funktionalität werden auch an die EMV- Eigenschaften dieser Systeme erhöhte Anforderungen gestellt. Die Verantwortung für die funktionelle und die EMV- Sicherheit trägt dabei der Fahrzeughersteller, da er als einziger einen Einfluss auf die Festlegung aller relevanten Parameter der hardwareund softwaretechnischen Ausgestaltung des Bussystems hat (/1/). Neben der Gestaltung der Bustopologie und der Verwendung von Schutzschaltungen für die Busschnittstelle hat der eingesetzte Transceiver einen großen Einfluss auf die EMV- Eigenschaften des gesamten Bussystems. Das erfordert schon in der frühen Entwicklungsphase des Fahrzeuges EMVMessungen zur Charakterisierung dieser Halbleiter, wobei die verschiedenen Fahrzeugherstellern teilweise unterschiedliche Ansätze für diese Charakterisierung derzeitig verfolgen. Zur Harmonisierung dieser unterschiedlichen Vorgehensweisen wird gegenwärtig am Entwurf einer generellen Messvorschrift zur EMV- Qualifizierung von CANTransceivern gearbeitet, nach der die Halbleiterhersteller ihre Produkte beurteilen können. Diese Festlegung stellt einen Kompromiss zwischen den

verschiedenen Messphilosophien der namhaften europäischen Fahrzeughersteller dar und werden von diesen sowie den betreffenden Halbleiterherstellern akzeptiert. Die Grundgedanken dieser Messvorschrift bilden dabei: – die Vereinheitlichung der Messbedingungen für die Systeme CAN Low Speed und CAN High Speed, – die Vereinheitlichung des Messaufbaus sowie der Messbedingungen bei Störaussendungsund Störfestigkeitsmessungen, – die Nutzung von genormten (bzw. im Normungsverfahren befindlichen) Messverfahren mit bekannten Korrelationen zu Fahrzeugmessungen und einer hohen Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sowie – die bewusste Verwendung von scharfen und eindeutigen Fehlerkriterien bei Störfestigkeitsmessungen, welche eine bekannte Korrelation zu Fahrzeugmessungen aufweisen und zur Spreizung der Messergebnisse führen. Der Entwurf der Messvorschrift stützt sich auf die derzeit existierenden Normenentwürfe bezüglich gestrahlter Störungen bei Halbleitern (IEC 61967 für die Störaussendung und IEC 62132 für die Störfestigkeit) sowie die Norm IEC 61000-4-2 für ESD. Als Weiterentwicklung dieser Messvorschrift ist eine EMV- Produktnorm für CAN- Transceiver vorstellbar.

2

Das Kfz als elektromagnetisches Umfeld für den CAN- Bus- Transceiver

Der CAN- Bus ist aufgrund seiner symmetrischen Datenübertragung sowie die durch das CAN- Protokoll durchgeführte Fehlerkorrektur ein sehr störsicheres Übertragungssystem. Ohne EMV- optimierte Transceiver und eine zusätzliche Schutzbeschaltung an den Busleitungen sind jedoch die hohen Anforderungen des Einsatzes im Kfz bezüglich Störfestigkeit und Störaussendung nicht zu erfüllen. Durch die geringe Gehäusegröße (SO14 bzw. SO8) der üblichen Transceiver ist die Direkteinkopplung in das IC gegenüber den leitungsgebundenen Störungen über die Anschlusspin's zu vernachlässigen. Somit stellt die Leiterplatte der Komponente sowie der angeschlossene Kabelbaum das elektromagnetische Umfeld für den Transceiver dar. Alle Störungen, die hier durch die bekannten Koppelmechanismen der EMV im Kfz entstehen, werden leitungsgebunden zum Transceiver geführt. Dieser Sachverhalt ist entscheidend für die spätere Auswahl der genutzten Messverfahren. Für den Einsatz des Transceivers im Fahrzeug sind dabei die folgenden EMV- relevanten Aspekte besonders zu betrachten: – die Abweichung von der idealen strangförmigen Netztopologie mit den Leitungsabschlüssen am jeweiligen Ende des Strangs durch ein teilweise sehr weit aufgespanntes Netz der Busleitungen mit langen Stichleitungen zu hochohmig abgeschlossenen Busteilnehmern, – gestrahlte schmalbandige Störgrößen mit Feldstärken bis zu 120 V/m, – leitungsgebundene Störimpulse auf den Stromversorgungsleitungen durch das Schalten induktiver Lasten sowie Hochfrequenzvorgänge, die auch kapazitiv in die Busleitungen sowie die Wake Up- Leitung einkoppeln, – die Kabelbaumresonanzen im Bereich einiger 10 MHz, – unsymmetrische Störanteile infolge teilweise unsymmetrischer Verlegung der verdrillten Busleitung an Verbindungsstellen, – der Masseversatz zwischen einzelnen Busteilnehmern durch unterschiedliche Masseanschlusspunkte an der Karosserie, – erhöhte Anforderungen an die Störaussendung im AM- und FM- Bereich sowie – die eventuelle Schutzbeschaltung durch Gleichtaktentstördrossel und spezielle Kapazitätsbeschaltung der Busleitungen. Für die EMV- Qualifizierung des Transceivers ist es wichtig, eine Klassifizierung der einzelnen Pin's

nach Belastungszonen durchzuführen, wobei die Verkopplung mit dem elektromagnetischen Umfeld als Kriterium heranzuziehen ist. Demnach können die Pin's CAN_H und CAN_L, VBat, und Wake Up direkt galvanisch mit dem Kabelbaum der Komponente verbunden sein, welcher in diesem Falle als "Antenne" alle Störungen zu betrachten ist, und unterliegen erhöhten EMV- Anforderungen. Die restlichen Pin's wie z.B. RX und TX sowie die Steuerleitungen für den Betriebsmodus sind nur mit anderen Halbleitern der Komponente verbunden und damit einer niedrigen Belastungszone zuzuordnen. Im Ergebnis bisheriger Untersuchungen an CANTransceivern kann festgestellte werden, dass eine Qualifizierung der Pin's mit der höchsten Belastungszone mit positiven Ergebnissen ausreicht, um eine fehlerfreie Funktion des Bussystems im Fahrzeug bei EMV- Belastung sicherzustellen.

3

EMV- Normen für Halbleiter

Die Basis von technischen Vereinbarungen zwischen Industriepartnern bilden überwiegend nationale und internationale Normen. Für die EMVAnforderungen an Halbleiter ist diese Verfahrensweise derzeit noch nicht möglich, da die Normen zu diesem Fachgebiet zwar bearbeitet werden aber noch nicht veröffentlicht sind. Die EMV- relevanten Normen für Halbleiter fallen in den Zuständigkeitsbereich des IEC. In Deutschland wird die Normungsarbeit innerhalb des VDEArbeitskreises AK 767.13/14.5 koordiniert. Dieser Arbeitskreis ist den UK 767.13 (Störfestigkeit bei Kfz) und 767.14 (Störaussendung bei Kfz) zugeordnet und führt die Arbeiten aus der Sicht des Kfz als elektromagnetisches Umfeld für die Halbleiter durch. Momentan konzentriert sich diese Normungsarbeit auf die Störaussendung und Störfestigkeit von gestrahlten schmalbandigen Störungen bis 1 GHz. Im Ergebnis dieser Arbeiten werden derzeit die ersten Teile der Normenreihe IEC 61967 zur Störaussendung verabschiedet und stehen jeweils als vollwertige Norm zur Verfügung. Die Normungsarbeiten zur Störfestigkeit haben durch das Einreichen von entsprechenden NWIP- Papieren bei IEC begonnen und werden durch die Ausformulierung der ersten Entwürfe für die jeweiligen Teile fortgeführt. Mit der Veröffentlichung der Normenreihe zur Störfestigkeit ist in den nächsten ein bis zwei Jahren zu rechnen.

3.1

Normen zur Störaussendung

3.1.1

Überblick

Die Normenreihe IEC 61967 -"Integrated circuitsMeasurement of electromagnetic emissions" gliedert sich in einen allgemeinen Teil 1 mit den generellen Festlegungen für alle Messverfahren sowie die Teile 2 bis 6 für die jeweiligen Messverfahren: – Teil 2 "TEM-cell method", – Teil 3 "Loop probe method", – Teil 4 "1 Ω/ 150 Ω- direct coupling method", – Teil 5 "Workbench Faraday cage method" und – Teil 6 "Magnetic probe method". Der Ansatz der möglichen Auswahl aus verschiedenen Messverfahren ist den teilweise sehr unterschiedlichen Arten von Integrierten Schaltungen (z.B. Mikrocontroller, Power- IC's oder Leitungstreiber) sowie den unterschiedlichen Einsatzbedingungen in der Applikation (z.B. Kfz, Telekommunikation oder Industriebereich) geschuldet. Der Anwender sollte sich in Abhängigkeit von seinen definierten Randbedingungen für eines der Messverfahren entscheiden.

3.1.2

Die 1 Ω /150 Ω- Methode

Die 1 Ω /150 Ω- Methode (/2/) basiert auf der direkten Messung der leitungsgebundenen Störungen des Halbleiters und geht von dem Ansatz aus, dass interne Störungen, welche durch hohe Werte von Strom- bzw. Spannungsänderungsgeschwindigkeiten hervorgerufen werden, über die Pin's auf die Leiterplatte oder in den Kabelbaum gelangen und dort durch Leiterschleifen und antennenähnliche Strukturen abgestrahlt werden. Für die gebräuchlichsten Gehäuseformen von integrierten Schaltungen (mit Ausnahme von großen Mikroprozessoren) gilt, das die internen, in Abhängigkeit von der Frequenz strahlungsfähigen, parasitären Antennenstrukturen deutlich kleiner als die der Leiterplatte sind, und somit die externen Strahlungsanteile in der Applikation überwiegen. In diesem Fall ist die Messmethode zur vollständigen Charakterisierung der Störemission des Halbleiters anwendbar. Prinzipiell beruht die 1 Ω /150 Ω- Methode auf zwei Teilmessungen: 1. Summenstörstrommessung über einen 1 Ω- Strommesskopf nach Bild 1 in der GNDLeitung (oder Versorgungsleitung) für alle Ströme, die sich über die Leiterplatte im IC wieder schließen und 2. HF- Störspannungsmessung über einen 150 ΩSpannungsmesskopf nach Bild 2 für die Pin's deren Anschlussleitungen auf der Leiterplatte

oder im Kabelbaum länger als 10 cm sind und sich somit die Pin- bezogenen Störströme nicht auf kurzem Wege über das IC schließen.

Bild 1

Schaltbild 1 Ω- Strommesskopf /2/

Bild 2

Schaltbild 150 Ω- Spannungsmesskopf /2/

Die prinzipielle Messschaltung als Kombination von Strom- und Spannungsmessung ist im Bild 3 dargestellt. Die genauen Festlegungen zur Messschaltung sind je nach IC- Typ und Randbedingungen der Applikation vom Anwender zu treffen.

Bild 3

Prinzipielle Testschaltung für die 1 Ω /150 Ω- Methode /2/

Zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist die Verwendung einer mindestens zweilagigen Testleiterplatte gefordert.

3.2

Normen zur Störfestigkeit

3.2.1

Überblick

Für die Störfestigkeit von Halbleitern gegenüber gestrahlten Störungen und Störimpulsen auf den Leitungen, die zu den Anschluss- Pin's des Halbleiters führen existieren derzeit keine veröffentlichten Normen. In die nationalen Gremien wird jedoch an

der Normenreihe IEC 62132 gearbeitet, welche die Störfestigkeit von Halbleitern gegenüber gestrahlten Störungen bis 1 GHz umfasst. Sie ist analog zur Normenreihe für die Störaussendung aus einem allgemeinen Teil 1 sowie den für das jeweilige Messverfahren spezifischen Teilen aufgebaut. In Abhängigkeit des betrachteten Frequenzbereiches und der damit verbundenen Wellenlänge der Störsignale in Bezug zu den Abmessungen des Halbleiters ist zwischen der direkten Feldeinkopplung und der Einkopplung in die Zuleitungen bzw. die Leiterplatte der Baugruppe mit anschließender leitungsgebundener Weiterleitung der Störsignale zum Halbleiter zu unterscheiden. Diese beiden unterschiedlichen Störphänomene erfordern demzufolge zwei Gruppen von Messverfahren: – gestrahlte Störeinkopplung und – leitungsgebundene Störeinkopplung. Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht zu den derzeit diskutierten Messverfahren für die Störfestigkeit von Halbleitern und zeigt deren Anwendbarkeit in bezug auf einige relevante Anforderungen.

Vorteile bei den Messverfahren DPI und TEMZelle.

3.2.2

Im Frequenzbereich unterhalb f = 1 GHz ist bei einer Vielzahl von Halbleitern die Direkteinstrahlung zu vernachlässigen. Für diese Halbleiter bildet die DPI- Methode (siehe auch /3/) die Störanteile nach, welche durch Feldeinkopplung in den Kabelbaum bzw. antennenähnlichen Strukturen der Leiterplatte einer Baugruppe entstehen und leitungsgeführt zum Halbleiter gelangen. Dazu wird eine, dieser Einkopplung entsprechende Störleistung direkt in ein Pin bzw. eine Kombination von Pin's des Halbleiters eingespeist. Die prinzipielle Messschaltung zur DPI- Messung ist im Bild 4 dargestellt. DUT- Halbleiter HFErzeugung

≈ Pinselektive Messung

Gleichtaktstörung

Gegentaktstörung

DPI

X

X

X

BCI

X

X

X

Kopplungsart

MessVerfahren

Leitungsgeführt Gestrahlt

WBFC

X

TEM- Zelle

X

Stripline

X

X

X

Die DPI- Methode

Einkoppelnetzwerk

Leitung

Zi

Zl

Pvor Pstör = Pvor - Pref

R

Pref

C

Ze

PStör |Zi| = |Zl| = 50 Ohm

Zl = R + XC + Ze

Pref = 0

Leistungskopplung

Zl > R + XC + Ze

Pref ≠ 0

Stromkopplung

Zl < R + XC + Ze

Pref ≠ 0

Spannungskopplung

Tabelle 1 Übersicht zur Anwendbarkeit der Messverfahren

Bild 4

DPI: BCI: WBFC: TEM- Zelle:

Zur gleichspannungsseitigen Entkopplung zwischen Halbleiter und Leistungsverstärker dient lediglich ein dem zu analysierenden Frequenzbereich angepasster Kondensator in Reihenschaltung. Bei Verwendung eines zusätzlichen Reihenwiderstands im Einkoppelpfad kann durch entsprechende Wahl des Widerstandswertes eine Anpassung an spezielle Umgebungsbedingungen wie z.B. den Wellenwiderstand der Zuleitungen erfolgen und zwischen einer signifikanten Strom-, Spannungs- oder Leistungskopplung gewählt werden (Bild 4). Bei Einkopplung auf Stromversorgungs- Pin’s des Halbleiters ist auf eine HF- Entkopplung zur externen Stromversorgung mit einem Betragswert der Impedanz von mindestens 300 Ω im betrachteten Frequenzbereich zu achten. Dies gilt auch für die Einkopplung auf Pin’s, die notwendigerweise mit externen Mess- und Prüfgeräten verbunden sind. Auf Grund der hier als beliebig anzunehmenden Eingangsimpedanz des Pin’s kann jedoch kein fester Bezugswert für eine Minimal- Entkopplungsimpe-

Direct Power Injection Bulk Current Injection Work Bench Faraday Cache Einsatz von sogenannten MiniTEM- Zellen

Für die Verfahren DPI, BCI und WBFC werden derzeit bei IEC bzw. den untergeordneten nationalen Normungsgremien Entwürfe für die Normenreihe IEC 62132 erarbeitet. Für das TEM- Zellenverfahren ist ein äquivalentes Vorgehen zu erwarten. Alle angeführten Messverfahren haben Vor- und Nachteile. Entsprechend dem dominanten Störphänomen sollte sich der Entwickler zwischen der leitungsgeführten und der gestrahlten Kopplung bzw. in Grenzbereichen für beide entscheiden. Werden ein möglichst geringer und damit für die Halbleiterprüftechnik akzeptabler Messtechnikaufwand sowie eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu Grunde gelegt, so liegen die

Prinzipielle Testschaltung zur DPIMessung und Kopplungsarten

danz angegeben werden. Es gilt der Grundsatz, das die elektrische Verbindung zu externen Prüfgeräten oder anderen Schaltungsteilen der Testplatine die, auf das zu prüfende Pin eingekoppelte Leistung nicht bzw. so gering wie möglich beeinflussen darf. Die Verwendung von Testplatinen, welche an die spezielle Messaufgabe angepasst sind, führt zu einer sehr hohen Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, welches gemeinsam mit dem geringen Prüfleistungsbedarf ein entscheidender Vorteil der DPIMessmethode ist.

3.2.3

Direkte kapazitive Impulseinkopplung

Die direkte kapazitive Impulseinkopplung ist an die Störeinkopplung in Signal- und Datenleitungen durch die kapazitive Koppelzange nach ISO 7637 Teil 3 angelehnt, welche zur Immunitätsmessung von elektronischen Komponenten Verwendung findet. Die verteilte Kapazität der genormten Koppelzange von 100 pF wird hier jedoch durch eine konzentrierte Kapazität in Form eines Kondensatorbauelementes ersetzt, um die Störfestigkeitsmessungen mit Testplatinen durchführen zu können. Durch diese Vorgehensweise ist das Messverfahren der DPI- Messung sehr ähnlich und kann mit dieser zur Bewertung des Halbleiters gegenüber gestrahlten und impulsförmigen Störungen kombiniert werden.

3.2.4

ESD für Halbleiter

Für die Störfestigkeit gegenüber ESD existieren drei verschiedene Modelle, wonach der Halbleiter vom Hersteller klassifiziert werden kann: 1. Human Body Model (HBM), 2. Machine Model (MM) und 3. Charged Device Model (CDM). Alle Modelle repräsentieren eine spezielle Konstellation, die zur ESD und damit zur Störbedrohung für die Halbleiter führt (siehe auch /4/).

4

EMV- Bewertung von CANTransceivern am Beispiel des High Speed CAN

4.1

Grundlegender Ansatz

Im Vordergrund der nachfolgend beschriebenen Messvorschrift steht die Möglichkeit des Vergleiches von Transceivern verschiedener Hersteller und Musterstände unter den Randbedingungen des Einsatzes im Kfz. Zu diesem Zweck werden Mess-

verfahren vorgeschlagen, die unabhängig vom Fahrzeug auf Laborebene durchführbar sind und eine nachgewiesene Korrelation der Ergebnisse zu Fahrzeugmessungen aufweisen. Die Testbedingungen und Beschaltungen für den Transceiver werden dabei von den Verhältnissen im Fahrzeug abgeleitet. Die EMV- Bewertung gliedert sich in die Teile: – Störfestigkeit und Störaussendung bei den möglichen Betriebsarten des Transceivers sowie – die Zerstörfestigkeit bei passivem und ohne Spannungsversorgung betriebenen Transceiver. Die Untersuchungen am aktiven Transceiver werden unabhängig von CAN- Protokoll mit Hilfe eines Minimalnetzwerkes mit 3 CAN- Knoten durchgeführt, welches eine eindeutige und messtechnisch sehr gut nachweisbare Bewertung der Funktionssicherheit der Kommunikation zur Folge hat. Die Nutzung von scharfen Fehlerkriterien für die Störfestigkeit führt zu einer Spreizung der Messergebnisse, die es dem Fahrzeughersteller ermöglicht, die Produkte verschiedener Hersteller intensiver zu vergleichen sowie eine Vorhersage des EMVVerhaltens zukünftiger und in der Regel komplexerer CAN- Netzwerke im Fahrzeug vorzunehmen. Die Festlegung für eine ausreichende Störfestigkeit des Transceivers mit den gewählten Fehlerkriterien trifft der Fahrzeughersteller auf der Basis von Korrelationsbetrachtungen zu den bisher durchgeführten Fahrzeugmessungen in den jeweiligen Firmen. Angepasst an die Verkopplung des Transceivers mit dem Kfz als elektromagnetisches Umfeld werden die auf Normen bzw. Normentwürfen für Halbleiter basierenden Messverfahren: – DPI für die Störfestigkeit gegenüber gestrahlten Störungen, – Direkte kapazitive Impulskopplung für die Impulsfestigkeit sowie – die 1 Ω/ 150 Ω- VDE- Methode für die Störaussendung für die Untersuchungen am aktiven Transceiver gewählt. Die ESD- Festigkeit des Transceivers wird als Zerstörfestigkeit auf der Basis des sogenannten „Packaging and Handling“- Tests der Komponentenmessung überprüft. Diese Prüfung orientiert sich mit dem verwendeten Human Body- Modell für das Entladenetzwerk an der Norm DIN EN 61000-4-2 und wird am passiven und unversorgten Transceiver durchgeführt. Zur Berücksichtigung der applikativen Randbedingungen besitzt der Transceiver dabei eine minimale Beschaltung durch externe Bauelemente.

4.2

Störfestigkeit und Störaussendung im Funktionszustand

4.2.1

Messschaltung und allgemeine Prüfbedingungen

Pulsen wird ein aus 3 Teilnehmern (CAN- Knoten) aufgebautes CAN- Minimalnetzwerk nach Bild 5 verwendet.

Zur Analyse der EMV- relevanten Eigenschaften von Transceivern bezüglich HF- Störungen und VBAT

X1 VBAT

L1

L2

47µH

6-Loch-Ferrit

C41 1nF

JP1 C43

C42 330pF

22uF

L3

1

L4

47µH

GND

VCC

R11

VCC

X2 VCC X3

VBAT

C44 1nF

C46 22uF

C12

R12

Knoten 1

120

6,8nF

R2

C2

120

6,8nF HF2

X5

8 9 10 11 12 13 14

R1

C1 HF1

3 4

0.1uF

X4

R7 60

C3

R3

A1 /ERR Wake VBat SPLIT CANL CANH /STB

INH EN VI/O RXD Vcc GND TX

X14

R13

X15

R14

INH1

1K

CAN HS 14

C11

ERR1

1K

7 6 5 4 3 2 1

X16

R15

RX1

1K

0.1uF

120

6,8nF

Mode 1

2

6-Loch-Ferrit C45 330pF

X13

X17

R16

TX1

1K HF3

X6

C4

R4

VBAT

120

6,8nF

R21

X18

Mode 2

1

X7

909

10nF

Knoten 2 8 9 10 11 12 13 14

R7 10k R8 51

HF6

R9 10k R10 51

A2 /ERR Wake VBat SPLIT CANL CANH /STB

INH EN VI/O RXD Vcc GND TX

X19

R23

ERR2

1K

7 6 5 4 3 2 1

X20

R24

INH2

1K

CAN HS 14

C21 X9

3 4

0.1uF

909

10nF

X8

C22

R22

R6

C6

HF5

2

R5

C5 HF4

X21

R25

RX2

1K

0.1uF VBAT R31

1

X22

Mode 3

2 C7 X10 IMP1

X11

X12

Knoten 3 8 9 10 11 12 13 14

C9

IMP3 C31 0.1uF

Bild 5

R33

A3

1nF

1nF

3 4

0.1uF

1nF C8

IMP2

C32

R32

/ERR Wake VBat SPLIT CANL CANH /STB

INH EN VI/O RXD Vcc GND TX

7 6 5 4 3 2 1

X23

ERR3

1K

R34

X24

INH3

1K

CAN HS 14 R35

X25

RX3

1K

Stromlaufplan einer Minimalkonfiguration des Bussystems für SA- und SF- Messungen gegenüber HFStörungen und Pulsen an CAN- High- Speed- Transceivern

4.2.1.1 CAN- Knoten Die einzelnen CAN- Knoten sind durch Transceiver und Entkoppelnetzwerk (BAN) zur Peripherienachbildung ausgeführt. Der Knoten 1 fungiert als Sender einer dem CANTelegramm entsprechenden Bitfolge, die von allen Knoten empfangen und über die jeweiligen RXAusgänge überwacht wird. Die Werte für die Widerstandskombination am Pin Wake Up (R11, R12, R21, R22, R31, R32) werden nach Angaben des Halbleiterherstellers gewählt. Alle Steuereingänge für den Betriebsmodus sind nach Angaben des Halbleiterherstellers entsprechend für die Modi Normal, Stand By und Sleep zu beschalten. Zur HF- Entkopplung der Ausgänge RX1 bis RX3, ERR1 bis ERR3, INH1 bis INH3 sowie des Eingangs TX1 dienen ohmsche Widerstände (BAN's- R13, R14, R15, R1, R23, R24, R25, R33, R34, R35) mit einem Wert von R = 1 kΩ. Alle Knoten sind mit jeweils einem keramischen Stützkondensator (C11, C12, C21 C22, C31, C32 = 100 nF) für die Stromversorgungsleitungen VCC und VBAT ausgestattet. 4.2.1.2 Zentraler Busabschluss In der Prüfschaltung für den High- Speed- CANBus nach Bild 5 ist im Netzwerk ein zentraler Busabschluss durch den Widerstand R7 = 60 Ω realisiert. 4.2.1.3 Filter Die zentrale Stromversorgung des Minimalnetzwerkes ist durch zwei Elektrolyt- Kondensatoren C43 und C46 = 22 µF gestützt. Zur HF- Entkopplung der extern zugeführten Versorgungsspannungen VCC und VBat dient jeweils ein zweistufiges LC- Filter (L1, C41, L2, C42 für VBAT und L3, C44, L4, C45 für VCC) wobei die Bauelemente L2 und L4 als 6- Loch-Ferrite ausgeführt sind. Der Jumper J1 dient zur Entkopplung der Versorgungsspannung VBAT vom zweistufigen Filter bei direkter Impulseinkopplung und Versorgungsspannungszuführung über den Anschluss IMP3. 4.2.1.4 Stör- Ein- / Auskopplung Die Stör- Ein-/ Auskopplung wird in allen Fällen durch konzentrierte Bauelemente vollzogen. Die maximale Toleranz aller verwendeten Bauelemente beträgt 0,1 %. Ein- / Auskoppelpunkte HF1 bis 3: Die Einkoppelwiderstände mit einem Wert von jeweils R = 120 Ω bilden gemeinsam mit dem Innenwiderstand des angeschlossenen Leistungsverstärkers bzw. Messgerätes den Wellenwiderstand

der Busleitungen gegen die Bezugsmasse des Meßsystems nach. Die Einkoppelkondensatoren mit einem Wert von C = 6,8 nF realisieren die DCEntkopplung der Busleitungen zu den angeschlossenen Mess- bzw. Prüfgeräten. Einkoppelpunkte IMP1 und 3: Die Einkoppelkondensatoren mit einem Wert von C = 1 nF bilden die kapazitive Störeinkopplung mit einer Koppelkapazität der jeweiligen Leitung zu den Stromversorgungsleitungen mit ca. 100 pF/m und einer angenommenen Koppellänge von 10 m nach. 4.2.1.5 Festlegungen für die Kommunikation der Teilnehmer des Minimalnetzwerkes Für die Kommunikation sind in Abhängigkeit der jeweiligen Teilprüfung verschiedene Signalfolgen als Sendesignal für den Knoten 1 zu verwenden, das von allen Knoten empfangen und über die jeweiligen RX- Ausgänge überwacht wird. Testsignal 1: Symmetrisches Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50 % (CAN- Signal mit permanenten 0-1- Datenwechsel) mit einer Frequenz von 250 kHz bzw. einer Bitrate von 500 kBit/s. Testsignal 2: Unsymmetrisches Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 90 % mit der Frequenz von 50 kHz. Für Störfestigkeitsprüfungen mit Kommunikation ist jeweils nur das Testsignal 1 zu verwenden. Die Messungen zur Störaussendung sind mit den Testsignalen 1 und 2 durchzuführen. 4.2.1.6 Bewertung der Störfestigkeit des Bussystems Die Störfestigkeit des Bussystems wird nach dem Schema aus Tabelle 2 für die verschiedenen Modi des Transceivers nachgewiesen. Mode Normal Stand By Sleep

Störung HF/ Impulse HF/ Impulse HF/ Impulse

Fehlerbewertung an Pin RX, ERR, INH RX, INH INH

Tabelle 2 Allgemeine Übersicht zur Bewertung der Störfestigkeit Dabei werden die Fehlerkriterien nach Tabelle 3 angewendet.

Mode

Störung

TX

Normal

HF

mit

Impulse

Grenze Amplitudenfehler [V] oben/ unten RX)1,4 ERR)4 INH)5

Grenze Zeitfehler RX

ERR

INH

rez: Vcc ± 0,9 dom: ± 0,9

Vcc ± 0,9

VBAT ± 5

± 10 % TBit (± 0,2 µs)

– )2

– )2

ohne

Vcc ± 0,9

Vcc ± 0,9

VBAT ± 5

– )2

– )2

– )2

Stand By

HF/ Impulse

ohne

Vcc ± 0,9

– )3

VBAT ± 5

– )2

– )2

– )2

Sleep

HF/ Impulse

ohne

– )3

– )3

±3

– )2

– )2

– )2

)1

Zur Bewertung der Störfestigkeit ist das RX- Signal aller Transceiver bei Beeinflussung mit dem ungestörten Empfangssignal mit Hilfe eines Digitalspeicheroszilloskopes zu vergleichen. unabhängig von der Dauer keine Bewertung, da Ausgang bei diesem Modus nicht relevant Die Festlegungen für die maximale Abweichung der Spannungspegel am RX bzw. ERR- PIN wurden nach Datenblattangaben getroffen. Die Festlegung für die maximale Abweichung der Spannungspegel am PIN INH wurden unter folgenden Randbedingungen getroffen: Vdrop_typ_CAN_TC = 0,8 V, Von_typ_Volt.Reg. = 3,6 V, Voff_typ_Volt.Reg. = 0,8 V sowie mögliche HF- Überlagerung auf PIN INH bei HF- Beeinflussung von VBat mit einer Amplitude von ca. 3 V

)2 )3 )4 )5

Tabelle 3 Fehlerkriterien

4.2.2

Messung der Impulsfestigkeit

Zum Nachweis der Störfestigkeit gegenüber impulsförmigen Störungen auf dem Bordnetz sowie kapazitiv in die Busleitungen und die Wake UpLeitung eingekoppelten Störungen werden die Messungen mit einem Aufbau nach Bild 6 und den Normimpulsen 1,2,3a und 3b nach ISO 7637 Teil 1 durchgeführt.

IMP1

Ri

C7

1 nF

C8

1 nF

CAN_H

CAN_L Testplatine Störimpulsgenerator

a) VBat

IMP2

Ri

VBat

NormimpulsGenerator

Monitoring Testplatine Steuer-PC

Störimpulsgenerator

b)

IEC-Bus DSO

Bitmuster-Gen. /TX

Modus- Umschaltung

Ri

Einkopplung Busleitungen

Wake Up2

Imp1

Einkopplung VBAT

2

Imp2 Imp3

Störimpulsgenerator

HF -LP- Buchsen

V CC, GND, VBAT

Testplatine

Bild 6

Testplatine

/RX 3

Stromversorgung

C9 1 nF

1

HF- LPBuchsen

Einkopplung wake up

IMP3

Messaufbau für direkte kapazitive Impulseinkopplung

Bild 7 zeigt die Einkoppelpfade mit der Ersatzschaltung des Störimpulsgenerators für die zu testenden Pin's.

c) Bild 7

Einkoppelpfade für die direkte Impulseinkopplung, a) Busleitungen, b) VBat, c) Wake Up

Zur Bewertung der Störfestigkeit des Transceivers gegenüber Impulsen werden die Kriterien nach Tabelle 3 herangezogen.

4.2.3

Messung der Störfestigkeit gegenüber schmalbandigen gestrahlten Störungen

Zum Nachweis der Störfestigkeit gegenüber schmalbandigen gestrahlten Störungen (AM 80 % 1 kHz) im Frequenzbereich von 1 bis 500 MHz auf den Bus- und Stromversorgungsleitungen sowie der Wake Up- Leitung durch die DPI- Messungen dient der Aufbau nach Bild 8. HF-Erzeugung

Monitoring

Leistungsmessgerät Steuer-PC HF-Generator

HF-Verstärker DSO

IEC-Bus

IEC-Bus

Bitmuster-Gen.

50 Ohm

/TX

Modus- Umschaltung Leistungsmesskopf

HF- LPBuchsen

Einkopplung Busleitungen

1 HF1

Einkopplung VBAT

HF2

Einkopplung wake up

HF4

Auskopplung Busleitungen

2

HF3

/RX 3

[dBm] 40

HF -LP- Buchsen

VCC, (VBAT) GND,

Stromversorgung

Bild 8

Die Einkoppelpfade für die DPI- Messungen an den zu testenden Pin's sowie die Ersatzschaltung für den HF- Sender einschließlich Breitbandleistungsverstärker sind im Bild 9 dargestellt. Zur Bestimmung der Prüfschärfe ist die Vorwärtsleistung zu verwenden, welche in der Ergebnisdarstellung als Störfestigkeitsgrenzkurve (Bild 10) als Parameter genutzt wird. Ergänzend kann an den Buchsen HF4 bis HF6 der Pegel der eingekoppelten Störspannung auf das jeweilige Pin des Transceivers gemessen werden. Für die Bewertung der Störfestigkeit des Transceivers bei der DPI- Messung mit Pvor = 4 W (36 dBm) gelten wiederum die Fehlerkriterien nach Tabelle 3. Für die Busleitungen wird neben der symmetrischen Einkopplung auch eine unsymmetrische Störkomponente gefordert. Diese kann durch Variation der beiden Einkoppelwiderstände R1 und R2 nach Bild 9a erreicht werden. P in dBm

DPI- Messung CAN- Bus Störeinkopplung: CAN-Bus Fehlerbew.: RX Modulation: CW

VRF (RMS) in V

Testplatine

30

10

25 1

20

HF- Generator mit Verstärker



100

35

Messaufbau für DPI- Messungen

Ri

[VAC_RMS]

C1

R1

6,8 nF

120

15

CAN_H HF1

50

C2

R2

6,8 nF

120

10 1

CAN_L

10

100

0,1 1000 [MHz]

Bild 10 Beispiel für die Darstellung einer Störfestigkeitsgrenzkurve

Testplatine

a)

4.2.4

HF- Generator mit Verstärker Ri

HF2

C3

R3 VBat



50

6,8 nF

120

Testplatine

b)

HF3

C4

R4

6,8 nF

120

Zur Bestimmung der Störaussendung des Transceivers sind nur Messungen an den Busleitungen im Frequenz- und Zeitbereich mit einem Aufbau nach Bild 11 gefordert. Frequenzbereich: Summenstörspektrum der Busleitungen auf der Basis der VDE- Methode nach IEC 61967-4 im Frequenzbereich von 150 kHz bis 500 MHz

HF- Generator mit Verstärker Ri

Messung der Störaussendung von gestrahlten Störungen

Wake Up2



50

Testplatine

c) Bild 9

Einkoppelpfade für DPI- Messungen, a) Busleitungen, b) VBAT, c) Wake Up

Zeitbereich: Darstellung des Summensignals der Busleitungen mittels Digitalspeicheroszilloskop

HF- Analyse

Monitoring

Steuer-PC

SA

DSO IEC-Bus

Bitmuster-Gen.

IEC-Bus

/TX

Modus- Umschaltung Einkopplung Busleitungen HF- LPBuchsen

1 HF1 HF2

50

2

HF3

/RX

HF4 3 Stromversorgung

HF -LP- Buchsen

rechnerisch addiert und dargestellt. Der Anschluss HF1 bleibt bei dieser Messung nicht unbeschaltet. Diese Vorgehensweise ermöglicht die bessere Analyse der Ursachen für die ungewollte Störaussendung, welcher in der Regel in der Unsymmetrie der Treiberstufen des Transceivers zu sehen ist. Im Bild 14 kann beim dort untersuchten Transceiver mit dieser Messung eine Unsymmetrie der Pegel sowohl beim Umschalten der Buszustände als auch eine statische Unsymmetrie im Dominant- Staus aufgezeigt werden.

VCC, GND, VBAT

Testplatinensystem 7 6

Bild 11 Messaufbau für Störaussendungsmessungen an den Busleitungen [V]

Für die Messung im Frequenzbereich gilt der Auskoppelpfad nach Bild 12. Entsprechend den Festlegungen von IEC 61967-4 ist dabei ein Anpassungswiderstand von 50 Ω zu verwenden.

5 4 3 2 1

CAN_H + CAN_L

0

HF- Analyse (Spektrumanal./ Messempfänger)

0

Testplatine

Ran 50

Ri 50

C1

R1

6,8 nF

120

C2

R2

6,8 nF

120

CAN_L

EMI- Messung CAN- Bus TC- mode: normal

4.2.5

2/4 µs 2/20 µs

60 50 [dBµV]

40 30 20 10 0 -10 0,1

1

6

8

10

Bild 14 Beispiel für die Messung der Störemission im Zeitbereich

Bild 12 Auskoppelpfad für Störaussendungsmessungen, Auskopplung von den Busleitungen

70

4 [µs]

CAN_H HF1

2

10 [MHz]

100

1000

Bild 13 Beispiel für die Messung der Störemission im Frequenzbereich Das Bild 13 zeigt beispielhaft das Ergebnis der Transceiver- Bewertung mit diesem Messverfahren für die beiden Testsignale 1 und 2. Für die Summenbewertung im Zeitbereich werden die Spannungsverläufe an CAN_High und CAN_Low bei Kommunikation mit dem Testsignal 1 direkt auf der Testplatine mit hochohmigen Tastköpfen gemessen und durch das Messgerät

Anforderungen an Testplatinen für HF- und Impulsmessungen

Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit der geforderten Störfestigkeits- und Störaussendungsmessungen an dem Minimalnetzwerk nach Bild 5 ist es notwendig, eine spezielle Testplatine zu verwenden, welche den folgenden Forderungen unterliegt: – Um gute HF- Eigenschaften der Einkoppelpfade zu erreichen, sollte eine symmetrische Anordnung der Knoten 1 bis 3 in Verbindung mit einer Zweilagenleiterplatte gewählt werden. – Die Länge der Einkoppelpfade auf der Testplatine ist so kurz wie möglich zu gestalten. – Auf Grund von HF- und Abschirmungsanforderungen sollten alle Verbindungen zur TestPeripherie der Platine (außer die gefilterten Anschlüsse für VBAT, Vcc und GND) durch koaxiale Leiterplattenbuchsen ausgeführt werden. Ein Vergleich der Messergebnisse mit verschiedenen Testplatinen erfordert die Messung und Dokumentation der Einfügedämpfung von den Buchsen HF1 bis HF6 sowie IMP1 bis IMP3 bis zum jeweiligen Pad für die Signale des Transceivers im Layout der Testplatine. Dazu ist die Testplatine bis auf die Transceiver vollständig zu bestücken.

4.3

Zerstörfestigkeit gegenüber ESD

4.3.1

Messschaltung und Prüfbedingungen

Die Untersuchungen der Zerstörfestigkeit gegenüber ESD werden an einem Transceiver ohne Spannungsversorgung und mit einer minimalen Beschaltung entsprechend Bild 15 vollzogen. X1 EP4

4.3.2

R1

X2 EP3 X3 EP2 R2 60

8 9 10 11 12 13 14

X4

A1 /ERR Wake VBat SPLIT CANL CANH /STB

INH EN VI/O RXD Vcc GND TX

7 6 5 4 3 2 1

CAN HS 14

EP1 X5

4.3.1.5 Bewertung der Störfestigkeit des Transceivers Es wird die Zerstörfestigkeit des Transceivers mit den Kriterien: – komplette Funktionsprüfung und – Leckstrommessung mit den vom Halbleiterhersteller vorgegebenen Maximalwert aus Fehlerkriterium nach erfolgter Belastung bewertet.

C1 100nF

C2 100nF

Bezugsmasse

Messung der Zerstörfestigkeit

Zum Nachweis der Zerstörfestigkeit gegenüber ESD auf den Bus- und Stromversorgungsleitungen sowie der Wake Up- Leitung werden die Messung auf der Basis von DIN EN 61000-4-2 mit einem Aufbau nach Bild 16 an mindestens 3 Transceivern durchgeführt. Prüfgenerator Entladepads

Bezugsmassefläche

alle R,C als SMD- Bauform 1206

Bild 15 Stromlaufplan der Testanordnung für ESDMessungen

Verbindung PIN GND zur Bezugsmassefläche

Prüfgenerator mit Kontaktentlademodul

GND Masserückleiter Prüfgenerator

4.3.1.1 CAN- Transceiver Der CAN- Transceiver wird ohne Versorgungsspannung und mit einer minimalen externen Beschaltung getestet. Der Wert für den Serienwiderstand am Pin Wake Up (R1) wird nach Angaben des Halbleiterherstellers mit dem möglichen Minimalwert (Default- Wert: 33 kΩ) gewählt. Zusätzlich wird der Transceiver mit jeweils einem keramischen Stützkondensator (C1, C2 = 100 nF) für die Stromversorgungsleitungen VCC und VBAT beschaltet. 4.3.1.2 Busabschluss In der Prüfschaltung nach Bild 15 ist der zentrale Busabschluss durch den Widerstand R2 = 60 Ω realisiert. 4.3.1.3 Störeinkopplung Die Störeinkopplung wird galvanisch vollzogen. Zu diesem Zweck sind die als Pad ausgeführten Entladepunkte EP 1 bis 4 direkt mit dem jeweiligen Pin des Transceivers verbunden.

Anschluss Erdungssystem Labor

Testplatine

Bild 16 Messaufbau für ESD- Messungen Mit der Spitze für Kontaktentladung des ESDPrüfgenerators wird direkt auf die Entlade- Pad‘s EP1 bis 4 der Testplatine für die ESD- Prüfung entladen. Als Massebezugspunkt für die Prüfung wird die Massefläche der ESD- Testplatine definiert, welche mit dem Erdungssystem des Prüflabors verbunden ist. Mit diesem Bezugspunkt ist der Masseanschluss des Prüfgenerators zu verbinden. Es werden keine weiteren Metallplatten (z.B. für Bezugsmassefläche oder Koppelplatten) verwendet. ESD- Generator R

EP1/2/3/4

330 Ω C

4.3.1.4 Besondere Umgebungsbedingungen Es sind die Festlegungen von DIN EN 61000-4-2 zu den klimatischen Umweltbedingungen einzuhalten.

Anschlusspunkt für Bezugsmasse

150 pF

CAN_H/ CAN_L/ VBat/ Wake Up

Testplatine

Bild 17 Einkoppelpfad für ESD- Messungen, Einkopplung auf CAN_High, CAN_Low, VBAT und Wake Up Das Ersatzschaltbild für die ESD- Einkopplung in die Pin's ist im Bild 17 dargestellt.

Die Funktions- und Leckstromprüfung nach jeder Belastung entsprechend einem festgelegten Prüfablauf werden am eingelöteten Transceiver durchgeführt. Zu diesem Zweck dient ein spezieller Prüfadapter zur Kontaktierung aller Pin’s des Transceivers.

4.3.3

Anforderungen an Testplatinen für ESD- Messungen

Die für die ESD- Messungen festgelegte Messschaltung nach Bild 15 wird durch eine Testplatine realisiert. Es ist ein zweilagiger Aufbau mit ausgedehnter Massefläche zu wählen, bei dem der Transceiver eingelötet wird. Die Pad‘s für die Entladepunkte EP 1 bis 4 sind so auszuführen, das bei jedem Aufsetzen der Entladespitze des Prüfgenerators die Kontaktsicherheit gewährleistet ist. Die Bauelemente für die Minimalbeschaltung sind in unmittelbarer Nähe des Transceivers zu platzieren. Der Isolationsabstand zwischen den Leiterbahnen bzw. Pad‘s für die Bauelemente und der Bezugsmassefläche ist so zu wählen, das an diesen Stellen ein Überschlag der Entladespannung mit 8 kV ausgeschlossen ist.

Forderungen nach Korrelation zu Fahrzeugmessungen, Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, hoher Messökonomie sowie einem hohen Dynamikbereich und damit verbundener Spreizung der Messergebnisse zur Beurteilung derzeitiger und Neuentwicklungen von CAN- Transceivern.

6 /1/

/2/

/3/

/4/

5

Zusammenfassung

Durch den hohen Vernetzungsgrad elektronischer Baugruppen des Kfz über die beiden CAN- BusSysteme kommt diesem Kommunikationssystem eine zentrale Bedeutung in der Störfestigkeit und Störaussendung des Gesamtfahrzeuges zu. Aus diesem Grund ist der Kfz- Hersteller in starkem Maße daran interessiert, EMV- optimierte Halbleiter als CAN- Transceiver einzusetzen. Zur einheitlichen EMV- Qualifizierung von CANTransceivern wird am Beispiel des High Speed CAN in Kraftfahrzeugen ein Entwurf für eine Bewertungsvorschrift dargestellt, welche auf die für Halbleiter genormten Messverfahren DPI und VDE- 1 Ω /150 Ω- Methode, eine direkte kapazitive Störimpulseinkopplung in Anlehnung an ISO 7637 Teil 3 sowie ESD- Messungen nach DIN EN 61004-2 beruht. Im Vordergrund Messvorschrift steht die Möglichkeit des Vergleiches von Transceivern verschiedener Hersteller und Musterstände unter den Randbedingungen des Einsatzes im Kfz. Zu diesem Zweck werden Messverfahren vorgeschlagen, die unabhängig vom Fahrzeug auf Laborebene durchführbar sind. Die Testbedingungen und Beschaltungen für den Transceiver werden dabei von den Verhältnissen im Fahrzeug abgeleitet. Die Festlegung der Messverfahren und Bewertungskriterien für die Störfestigkeit unterliegt den

Literatur Claus, L., Körber, B.: CAN (High Speed) in Kraftfahrzeugen - EMV- Eigenschaften künftiger Bus- Topologien und –Betriebsarten. veröffentlicht in Schwab. A.: Elektromagnetische Verträglichkeit. EMV 2000. VDE- Verlag Berlin Offenbach. S. 777 -784 IEC 61967-Integrated Circuits- Measurement of Electromagnetic Emissions, 150 kHz to 1 GHz, Part 4: Measurement of Conducted Emission, 1 Ω/ 150 Ω Method VDE AK 767.13/14.5 Halbleiter: Direct RF Power Injection to measure the immunity against conducted RF-disturbances of integrated circuits up to 1 GHz, IEC New Work Item Proposal (06/99) Lindberg, K.: Übersicht über reale ESD- Vorgänge an Halbleitern und deren Nachbildung in den verschiedenen Normen, Seminarunterlagen emv GmbH