Skuteczne strategie analizy odporności na zakłócenia z poziomu płytki PCB

Krótki opis

Złożone urządzenia z układami scalonymi i niskim napięciem zasilania coraz częściej nie przechodzą testów odporności na zakłócenia. Lokalizacja i eliminacja słabych punktów jest prawdziwym wyzwaniem w tak złożonych urządzeniach. Szybka, konkretna i tym samym oszczędna eliminacja słabych punktów wymaga skutecznych strategii i odpowiedniego sprzętu do systematycznej analizy odporności na poziomie płytki.

1 Przedmowa

Złożone urządzenia z układami scalonymi i niskim napięciem zasilania coraz częściej nie przechodzą testów odporności na zakłócenia. Lokalizacja i eliminacja słabych punktów jest prawdziwym wyzwaniem w tak złożonych urządzeniach. Szybka, konkretna i tym samym oszczędna eliminacja słabych punktów wymaga skutecznych strategii i odpowiedniego sprzętu do systematycznej analizy odporności na poziomie płytki.

2 Wprowadzenie

Zmniejszenie napięcia zasilania układów scalonych w złożonych modułach i związana z tym mniejsza odporność na zakłócenia sygnałów użytecznych prowadzą do częstszych niepowodzeń w testach odporności. Standardowy sprzęt testowy jest używany do badania urządzeń elektronicznych jako całości (zasada "czarnej skrzynki") i praktycznie nie pozwala na dogłębne zbadanie ścieżek prądu zakłócającego przez moduł i identyfikację rzeczywistych słabych punktów. Z tego powodu środki filtrujące i ekranujące są często stosowane w testowanym urządzeniu według metody prób i błędów, a następnie modyfikowane aż do uzyskania wymaganej odporności. Długie poszukiwania i częste testy w laboratorium nieuchronnie prowadzą do wydłużenia czasu rozwoju, pociągając za sobą również wyższe koszty rozwoju. Ponadto koszty produkcji zwykle rosną z powodu filtrów i ekranów, które często znajdują się w niewłaściwych miejscach i są przez to przeprojektowane.

Ponieważ konfiguracja testowa dla testów zgodności nie jest w żadnym wypadku idealna dla analizy odporności, potrzebne są nowe narzędzia rozwojowe, aby przeprowadzić analizę odporności bezpośrednio w obwodzie. Najważniejszą częścią tego zestawu narzędzi jest burst generator, który został zaprojektowany do rozwiązywania problemów bezpośrednio w obwodzie. Ten burst generator w sposób ciągły generuje losową sekwencję różnych impulsów napięcia do natężenia 1500 V. W porównaniu do generatorów EFT/B (electrical fast transient/burst) zgodnie z normą EN 61000-4-4, impulsy te mają niższą energię zakłóceń i mogą być wstrzykiwane bezpośrednio do modułów elektronicznych w celu zlokalizowania słabych punktów. Ze względu na bezpośrednie wstrzykiwanie, energia zakłóceń jest jednak wystarczająca do wytworzenia podobnego efektu zakłóceń jak w przypadku zewnętrznie podłączonego generatora EFT/B. Mniejsza energia zakłóceń zmniejsza ryzyko uszkodzenia elementów elektronicznych podczas poszukiwania słabych punktów. Inną charakterystyczną cechą generatora burst są jego pływające wyjścia. Dzięki tym pływającym wyjściom programista może wstrzykiwać wygenerowane impulsy do wybranych obszarów modułu, nawet niezależnie od systemu uziemienia. Dzięki temu można bardzo szybko zlokalizować słabe punkty w module, badając odcinek po odcinku ścieżkę prądu zakłóceniowego. Generator impulsów może być również wykorzystany do zasilania źródeł pola i sprzęgania generowanych przez nie pól magnetycznych i elektrycznych do modułu w celu przeprowadzenia bardziej szczegółowej analizy. Ponadto, ścieżki, po których przepływa prąd zakłócający przez moduł mogą być analizowane za pomocą sond pola magnetycznego lub czujnika optycznego.

Punktem wyjścia do systematycznej analizy odporności jest test zgodności zgodny z normą EN 61000-4-4. Wzorzec błędu, który wystąpił w teście zgodności dostarcza bardzo ważnych informacji dla kolejnych badań. Jednak sam przebieg usterek nie pozwala jeszcze na jednoznaczne określenie słabego punktu urządzenia. Na przykład w przypadku awarii wyświetlacza sam wyświetlacz nie musi być słabym punktem; za awarię wyświetlacza może być odpowiedzialny sterownik graficzny lub główny procesor. Schemat uszkodzeń jest wymagany do symulacji zachowania modułu w teście zgodności dla strategii pomiarowych opisanych poniżej.

3 Część centralna

3.1 Analiza ścieżek prądu zakłóceniowego

Prąd zakłóceniowy z generatora burst jest prowadzony przez moduł różnymi drogami w celu analizy ścieżek prądu zakłóceniowego. Analiza rozpoczyna się od związanego z podłożem wstrzyknięcia prądu zakłóceniowego do linii zasilających lub interfejsów modułu oraz obserwacji usterek funkcjonalnych w badanym urządzeniu. Takie podejście jest wykorzystywane do symulacji wzorca usterek, które wystąpiły w teście zgodności. Słaby punkt jest następnie zawężany w kolejnych krokach poprzez wstrzykiwanie prądu zakłócającego do poszczególnych sekcji modułu. Dzięki zmiennym wyjściom generatora Burst, prąd zakłóceniowy może być wstrzykiwany również do wybranych obszarów modułu niezależnie od systemu uziemienia.

Rys. 1 Wstrzykiwanie prądu zakłócającego do badanego urządzenia niezależnie od systemu uziemienia w celu analizy ścieżek prądu zakłócające

3.2 Lokalizowanie słabych punktów za pomocą źródeł terenowych

W zależności od gęstości upakowania modułu, słabe punkty można zawęzić do pewnej grupy komponentów lub struktur przewodników w większości przypadków poprzez analizę ścieżek prądów zakłócających. Ponieważ pola impulsów magnetycznych i elektrycznych wstrzykiwanych prądów i napięć są głównie odpowiedzialne za zakłócenia w układzie scalonym, zostaną one zbadane w następnym kroku. Pola te mogą być symulowane za pomocą źródeł pola i wstrzykiwane do wybranych połączeń komponentów lub struktur przewodników. Również w tym przypadku do zawężenia słabego punktu wykorzystuje się błędy funkcjonalne występujące w badanym urządzeniu. W zależności od wielkości źródła pola, słaby punkt może być zlokalizowany z dokładnością do kilku milimetrów. W ten sposób można zlokalizować nawet pojedyncze wrażliwe piny łączące IC.

3.3 Analiza pól magnetycznych wybuchów

Trzecia strategia pomiarowa jest wykorzystywana do analizy rozkładu zakłócających pól magnetycznych na module. Prąd zakłócający jest wprowadzany do badanego obszaru modułu poprzez przewodniki. Prąd interferencyjny generuje pola magnetyczne wokół przewodników, przez które przepływa, a te mogą być następnie mierzone za pomocą sondy pola magnetycznego. Sonda pola magnetycznego generuje impulsy świetlne, których częstotliwość zależy od średniej gęstości strumienia magnetycznego. Sonda pola magnetycznego jest połączona z wejściem optycznym licznika gęstości impulsów, który jest zintegrowany z generatorem burstów, za pomocą światłowodu. Wartość wyświetlana na liczniku gęstości impulsów jest proporcjonalna do gęstości strumienia magnetycznego. Orientację pola magnetycznego można określić poprzez obracanie i pochylanie sondy pola magnetycznego. Sonda pola magnetycznego może być zatem wykorzystana do śledzenia i analizowania konfiguracji pola, a tym samym ścieżki prądu zakłócającego przez moduł.

Rys. 2 Wstrzykiwanie prądu zakłócającego do badanego urządzenia niezależnie od systemu uziemienia w celu analizy ścieżek prądu zakłócającego

3.4 Monitorowanie sygnałów logicznych i analiza poziomów odporności

Czwarta strategia służy do monitorowania pewnych sygnałów logicznych na module za pomocą czujników. Czujnik jest podłączony do sygnału, który ma być monitorowany i przetwarza go na sygnały świetlne. Ponieważ sygnały są przesyłane przez światłowód, mogą być mierzone bez interakcji, nawet pod wpływem ekstremalnych pól zakłóceń. Monitorowanie sygnałów logicznych obejmuje głównie deterministyczne sygnały logiczne, takie jak reset, zegar i CE (chip enable). Sygnały danych mogą być również monitorowane, jeśli znane są sekwencje danych. Ważne jest, aby w monitorowanym sygnale można było jednoznacznie zidentyfikować usterki. Generator burst lub źródła polowe są używane do wstrzykiwania zakłóceń bezpośrednio do modułu. Procedura ta dostarcza również dodatkowych informacji o procesach/zdarzeniach zakłócających w module. Jest to bardzo pomocne, jeśli usterki funkcjonalne nie mogą być zidentyfikowane z zewnątrz lub są bardzo opóźnione z powodu operacji przetwarzania. W podobny sposób można sprawdzić skuteczność działań EMC. Zakłócony sygnał logiczny jest monitorowany za pomocą czujnika, a zmierzone wartości są porównywane z i bez zaimplementowanego środka EMC. W ten sposób można szybko i niezawodnie ocenić modyfikacje modułu.

4 Podsumowanie

Specjalne procedury pomiarowe i testowe mogą być wykorzystane do systematycznego wstrzykiwania impulsów zakłócających do poszczególnych obszarów modułu podczas jego rozwoju. Wzorce błędów są odtwarzane, a ścieżki prądu zakłóceń analizowane w celu zlokalizowania słabych punktów odporności. W ten sposób można szybko i skutecznie zidentyfikować rzeczywiste słabe punkty. Na tej podstawie można wybrać odpowiednie środki EMC. Skuteczność zastosowanych środków jest weryfikowana bezpośrednio na płycie. Dzięki tej systematycznej analizie odporności na zakłócenia można szybko i celowo zidentyfikować i wyeliminować słabe punkty. Oznacza to w końcu skrócenie czasu i kosztów rozwoju dzięki mniejszej liczbie testów w laboratorium oraz obniżenie kosztów produkcji dzięki wybranym i odpowiednim środkom EMC.

5 Odniesienia

• DIN Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 61000-4-4 Electromagnetic compatibility (EMC) - part 4-4. Berlin: Beuth Verlag GmbH; 2013
• Langer, G.: E1 immunity development system. Bannewitz: Langer EMV-Technik GmbH; 2014
• Langer, G.: Interference immunity – Experimental seminar, training material. Bannewitz: Ingenieurbüro Langer; 2009