Functional Safety Risks of Smart Power Devices due to EMI

An important prerequisite for the safe operation of vehicles is that all electronic control units (ECUs) installed in the vehicle meet the applicable standards for functional safety and for electromagnetic compatibility. Integrated circuits (ICs) that are used within these ECUs are therefore often tested according to functional safety and EMC standards, but in most cases this is done consecutively. Therefore, we developed an extended direct power injection (DPI) test setup to characterize the functional safety and the electromagnetic interference (EMI) behavior of ICs simultaneously. Based on the results, we show that EMI can have a significant influence on the IC’s functional safety behavior

Herausforderungen bei der Durchführung von reproduzierbaren BCI-Messungen

Die Charakterisierung der elektromagnetischen Störfestigkeit ist ein wichtiger Qualifizierungsschritt für elektronische Komponenten in Kraftfahrzeugen. Verschiedene Testmethoden können verwendet werden, um die ungestörte Funktionalität des Systems sicherzustellen. Ein dabei angewandtes wichtiges Messverfahren ist die sogenannte „Bulk Current Injection“ Methode, kurz BCI genannt, welche in der ISO 11452-1 [1] beziehungsweise in ISO 11452-4 beschrieben [2]. Sie ist weit verbreitet und wird häufig von vielen Automobilherstellern in ihren EMV-Spezifikationen zur Charakterisierung elektronischer Geräte gefordert. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass der durchgeführte Messvorgang zuverlässig ist und unabhängig davon, wo und wann ein Gerät gemessen wird, die Ergebnisse immer reproduzierbar sind [3]. Dies ist leider nicht immer der Fall, da diese Art der Messung häufig zu Problemen bei der genauen Durchführung und Interpretation des Messaufbaus und der Testprozedur führt [4]. Zahlreiche Untersuchungen wurden dazu schon durchgeführt und in Publikationen veröffentlicht [5], [6]. In [7] zum Beispiel wurden die Effekte von Masserückleitungen sowie das Übersprechen im Kabelbaum während des BCI-Tests experimentell untersucht und es zeigte sich, dass die Testergebnisse erheblich von den unterschiedlichen Bedingungen im Kabelbaum abhängen. P. S. Crovetti zeigte in [8], dass über 100MHz der tatsächliche in den Prüfling eingekoppelte Störstrom erheblich vom Störstrom, der während des im Standard beschriebene Kalibrierungsverfahrens eingestellt wird, abweicht. Solche Diskrepanzen können zu unzuverlässigen Ergebnissen bei BCI-Störfestigkeitstests führen. Daher ist bei der Durchführung des BCI-Tests besondere Vorsicht geboten

Abhängigkeit der Pulsfestigkeitsergebnisse von Kfz-Komponenten von den verwendeten Testpulsgeneratoren

Die Prüfung der Störfestigkeit gegenüber transienter Störvorgänge, wie sie zurzeit in der ISO 7637 definiert ist, führt des Öfteren zu unterschiedlichen Ergebnissen in der Prüflingsbewertung. Die Ursache dieser Abweichungen lieg aber nicht am Prüfling oder dem Messaufbau selbst, sondern ist in erster Linie den Generatoren, vor allen den darin verbauten unterschiedlichen Netzwerken zur Erzeugung und Entkopplung der Testpulse zuzuschreiben. Die im Rahmen einer durchgeführten Generatorverifikation ermittelten Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich abhängig vom Generatortyp zum Teil erhebliche Unterschiede in den Messergebnissen zwischen den Geräten zeigen, vor allem wenn die Belastungen vom standardisierten Verifikationssetup abweichen. Dies kann zur Folge haben, dass im Entwicklungsbetrieb widersprüchliche Ergebnisse generiert werden, die zu Fehlentwicklungen und in der Folge zu zusätzlichen Redesigns und Entwicklungsiterationen führen. Im schlimmsten Fall können unterschiedliche Produktbewertungen von verschiedenen EMV-Testlaboren desselben Prüflings erhebliche Probleme in Geschäftsbeziehungen verursachen. Aus dem Grund lässt sich ein Analyse- und Handlungsbedarf ableiten, um aus standardisierten Pulsstörfestigkeitstests auch verlässlich vergleichbare Ergebnisse zu erhalten

TEM-cell and surface scan to identify the electromagnetic emission of integrated circuits

ABSTRACT The characterization as well as the control of the electromagnetic emission of integrated circuits is an important step in the design process of state of the art integrated circuits. In the present paper we describe the use of the TEM-cell and the surface scan method according to a standard from the IEC as well as a combined version of these two methods. We present how these methods could be used in the characterization of test chips. We also present how the combined method was used to reduce the electromagnetic emission of a state of the art integrated circuit for automotive applications

A Bipolar ±13 mV Self-Starting and 85% Peak Efficiency DC/DC Converter for Thermoelectric Energy Harvesting

This paper presents a novel converter for boosting the low-voltage output of thermoelectric energy harvesters to power standard electronic circuits. The converter can start up from a fully depleted state of the system off a bipolar ±13 mV input and can boost it to output voltages of up to 5 V. The converter comprises two transformers, one for each polarity that are multiplexed between an oscillator (used during startup) and a flyback converter (used during normal operation). To eliminate leakage currents in the input stage, the unused converter is completely turned off at startup and both converters are automatically shut off if the input power is found to be too low. Measurement results of the converter designed in a 180 nm CMOS process demonstrate a peak end-to-end conversion efficiency of 85% and nearly perfect impedance matching over the full input voltage range. This is the first time that a converter for ultra-low bipolar input voltages achieves the same performance as a unipolar converter

Entwicklung von Simulationsmethoden für die Bestimmung der Schirmdämpfung von realen Gerätegehäusen

Aufgrund der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass es in vielen Bereichen eine gute Übereinstimmung von Messung und Simulation gibt, in einigen Frequenzbereichen gibt es jedoch größere Abweichungen. Der Grund für diese Differenzen muss in weiteren Untersuchungen bestimmt werden. Trotzdem kann das Simulationsmodell verwendet werden, um den Einfluss von verschiedenen Veränderungen des Gehäuses auf die Emission zu untersuchen. Bei niedrigen Frequenzen gibt es sowohl in der Messung als auch in der Simulation noch Verbesserungsbedarf. Es können am Messaufbau noch Veränderungen vorgenommen werden (Empfangsantenne, Messempfänger), um die Messdynamik bei niedrigen Frequenzen zu erhöhen. Auch in der Simulation können noch Parameter verändert werden (z.B. die räumliche Auflösung des Modells), um die Ergebnisse bei niedrigen Frequenzen zu verbessern. Im nächsten Schritt muss ein passendes Simulationsmodell der Leistungselektronik entwickelt werden. Dazu werden die für die Emission wichtigsten Strompfade der Leistungselektronik identifiziert und in der Simulation modelliert. Ein vollständiges Modell der Leistungselektronik wäre für die Simulation zu komplex, somit müssen Vereinfachungen vorgenommen werden. Die Emission der Leistungselektronik wird durch einige solcher Strompfade nachgebildet, wobei jeder Strompfad über einen Strom mit einem anderen Spektrum verfügt. Das Spektrum des Stromes wird aus Schaltungssimulationen (z.B. mit LT-Spice) der Leistungselektronik gewonnen. In die Quelle des Strompfades kann entweder ein Signal im Zeitbereich eingespeist werden oder es wird ein breitbandiges Signal verwendet, welches nach der Berechnung mit dem Spektrum des Stromes multipliziert wird. Die Methodik der Modellierung der Emission der Leistungselektronik muss jedoch noch durch Vergleich mit entsprechenden Messungen validiert werden