Erfassen seltener Anomalien im Spektrum leistungselektronischer Mixed-Signal-Designs

Ihre Anforderung

In Leistungselektronik-Designs, z. B. Motortreibern für Bürstenmotoren, koexistieren analoge und digitale Schaltungen auf derselben Leiterplatte. Der Entwickler muss diese Komplexität berücksichtigen, insbesondere im Hinblick auf die leitungsgebundenen Emissionen auf den Stromleitungen. Taktgeber von Mikrocontrollern oder Buskommunikation wie SPI können zu den Emissionen beitragen, wenn die Leiterplatte nicht optimal konzipiert ist. Die Busaktivität ist nicht immer kontinuierlich, sondern wird häufig von anderen externen Systemcontrollern eingeleitet. Bei der Messung der leitungsgebundenen Emissionen auf den Stromleitungen tritt diese Busaktivität häufig in Form seltener Ereignisse im Frequenzspektrum in Erscheinung. Oszilloskope sind das Standardgerät für die Fehlersuche bei geleiteten Störungen im Entwicklungsprozess. Bei sehr kurzen und seltenen Ereignissen im Spektrum stößt ein Oszilloskop mit einer gewöhnlichen FFT-Implementierung jedoch an seine Grenzen. Dies liegt hauptsächlich an dem zeitaufwendigen Berechnungsprozess, der zur Anzeige des FFT-Spektrums notwendig wird. Seltene, kurze, unregelmäßige Ereignisse können übersehen werden, während das FFT-Spektrum berechnet wird. Eine wesentlich höhere FFT-Leistung ist unerlässlich, um die Grundursache zu finden und zu isolieren.

Lösung von Rohde & Schwarz

Die Oszilloskope der R&S®MXO 5 Serie sind für diese anspruchsvolle Aufgabe wie geschaffen – sie messen das Spektrum und geben schnell und detailliert Aufschluss über leitungsgebundene Emissionen. Die schnelle FFT-Funktion ermöglicht die Erfassung eines Spektrums mit bis zu 45 000 FFT/s. In Kombination mit dem rauscharmen analogen Frontend kann der Benutzer seltene Ereignisse hocheffizient und genau erkennen.

Außerdem ist die FFT unabhängig von den Zeitbereichseinstellungen, was für die EMI-Fehlersuche von großem Vorteil ist. Bei einer gewöhnlichen FFT-Implementierung würde sich die Aktualisierungsrate der FFT aufgrund der Auflösebandbreite erheblich verringern. Zusätzlich können Nahfeldsonden eingesetzt werden, um die Rauschquelle im System zu lokalisieren. Dazu ist ebenfalls eine schnelle FFT erforderlich. Die Netznachbildung (Artificial Mains Network, AMN) ist für stabile und reproduzierbare Messungen notwendig.

Anwendung

Ein vollintegrierter Halbbrückentreiber mit angeschlossenem Bürstenmotor wurde verwendet, um ein seltenes Ereignis im leitungsgebundenen Emissionsspektrum zu zeigen. Dieser Prüfling (siehe Bild 1 auf Seite 1) stellt den Leistungsteil mit zwei Halbbrücken bereit und kann über einen SPI-Bus konfiguriert werden. Ein Mikrocontroller ist an den Bus angeschlossen und dient zur Überwachung des Status des Treibers und zur Steuerung der Geschwindigkeit und Richtung des Motors. Ein CAN-Bus wird zur Kommunikation mit Modulen außerhalb des Systems verwendet.

Aufspüren der Ursache

Das Verfahren kann in drei Schritte unterteilt werden:

• Schritt 1: Führen Sie die Messung der leitungsgebundenen Emissionen gemäß der erforderlichen Norm, z. B. CISPR25, mit aktiviertem Nachleuchtmodus durch (lässt selten auftretende Anomalien hervortreten)
• Schritt 2: Suchen und lokalisieren Sie die Grundursache mit geeigneten elektrischen und magnetischen Nahfeldsonden unterschiedlicher Größe – suchen Sie nach Emissionen, die mit einer bestimmten Leiterplattenfunktion korrelieren
  Hinweis: Der Nachleuchtmodus sollte weiterhin aktiviert bleiben, damit nicht-periodische Phänomene erfasst werden können
• Schritt 3: Nachdem Sie die Korrelation zwischen dem Spektrum und der jeweiligen Funktion festgestellt haben, deaktivieren Sie den unendlichen Nachleuchtmodus; triggern Sie auf das Signal, das mit hoher Wahrscheinlichkeit die Ursache ist (die Messung wird bestätigen, ob die Annahme richtig ist oder ob Schritt 2 wiederholt werden muss)

Messbeispiel

Das Ergebnis der Messung der leitungsgebundenen Emissionen auf der Stromleitung bei der Bürstenmotoranwendung ist in Bild 2 dargestellt. Die schnelle FFT in Kombination mit dem aktivierten Nachleuchtmodus ermöglicht über das gesamte Spektrum die Erkennung seltener Ereignisse, die hohe Emissionen verursachen. Diese Rausch-Hüllkurve (siehe hellgelber Bereich, gekennzeichnet durch weiße Pfeile) zeigt typische Signaturen, die durch eine breite Rauschquelle, z. B. die Buskommunikation oder den Taktgeber, verursacht werden. Nach der Messung der leitungsgebundenen Emissionen wird die Nahfeldsonde verwendet, und Emissionen mit ähnlichen Merkmalen lassen sich auf der Leiterplatte in der Nähe der SPI-Datenspuren neben dem Mikrocontroller finden. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die SPI-Aktivität die Ursache ist.

Eine Bestätigung liefert der letzte Schritt (siehe Bild 3). Bei dieser Messung wird der normale Triggermodus aktiviert und mit einem passiven Tastkopf am SPI-Kommunikationsanschluss gemessen (Kanal 3). Gleichzeitig wird das Spektrum angezeigt. Als Ergebnis ist auf dem Display eine hohe breite Emission zu sehen, sobald die SPI-Kommunikation zwischen dem Controller und dem Empfänger begonnen hat (Triggerereignis). Mit dem gewonnenen Wissen können Maßnahmen zur Begrenzung dieser Emission festgelegt werden, die durch die SPI-Bus-Aktivität verursacht wird und sich in den leitungsgebundenen Emissionen auf der Stromleitung widerspiegelt.

Zusammenfassung

Die Oszilloskope der R&S®MXO 5 Serie eignen sich hervorragend für die Überprüfung leitungsgebundener Emissionen in Mixed-Signal-Anwendungen, bei denen seltene Emissionen auftreten können. Die herausragend schnelle FFT-Implementierung von 45 000 FFT/s in Kombination mit dem rauscharmen analogen Frontend ermöglicht es dem Anwender, seltene Anomalien im Frequenzspektrum leistungselektronischer Mixed-Signal-Designs zu finden.