Improvement of the correlation between ALSE and BCI by adjusting the feeding and positioning conditions based on indirect measurement of termination impedances using current transformers

The most commonly used automotive immunity test methods for electrical interferences from narrowband radiated electromagnetic energy are described in ISO 11452 series. Bulk Current Injection (BCI) and Absorber Line Shielded Enclosure (ALSE) apply different coupling mechanisms to assess the immunity of electronic components. While ALSE subjects the entire test setup to the electromagnetic fields generated by an antenna, BCI induces the interference signals directly into a certain part of the wiring harness by a current injection probe. ALSE is often considered as the more reliable method. However, testing with BCI is preferred as it allows performing the immunity tests in less time with less effort and cost. Despite using similar test setups, different interference currents are injected into the terminal units at each test method and therefore, the correlation between the test results is often poor. In order to improve the correlation, the BCI method must be modified to inject the same interference current as the ALSE method. This thesis proposes an approach that searches for these modifications and makes it possible to inject the same interference currents with a BCI probe. The two main issues of concern are the calculation of the injected interference currents during real test scenarios in a simulation environment and, the measurement of the input impedance of terminal units under the operation condition using optimized current transformers. The developed models and measurement methods are combined to reproduce the ALSE currents with a single BCI probe. In line with the implementation scheme: firstly, a measurement-based approach to model the ALSE and BCI couplings to a wire-over-ground structure is developed. These models are used to determine the interference currents at the terminal units; secondly, theoretical and measurement based methods are developed to characterize current transformers. The goal is to assess the ability of a current transformer to measure the input impedance of the terminal units without disconnecting the wiring harness; thirdly, four non-invasive methods to measure the input impedance of terminal units using optimized current transformers are proposed and experimentally validated; finally, an approach to reproduce the ALSE termination currents with a single BCI probe according to an optimization process is developed and validated. Capabilities and limitations of the proposed methods and approaches are analyzed, discussed, and ultimately applied to a real immunity test setup

Erhöhung der Korrelation zwischen BCI- und Antennenprüfverfahren durch Bestimmung von Abschlussimpedanzen mittels potenzialfreier Messung mit Stromsensoren

Der Nachweis der Störfestigkeit gegen gestrahlte Felder muss häufig durch eine Antennenprüfung (ALSE, [1]) in einer elektromagnetisch abgeschirmten Messumgebung mit geringen Reflexionen erbracht werden. Hohe Kosten und ein entsprechender Raumbedarf für die Absorberkabine sind mit diesem Verfahren verbunden. Außerdem kann die kalibrierte Feldstärke für bestimmte Frequenzen und Polarisierungen sehr empfindlich auf kleine Änderungen des Aufbaus reagieren [1]. Dies erhöht deutlich den Zeitaufwand und die Komplexität des ALSE-Verfahrens und erschwert die Reproduktion eines Messergebnisses. Als Alternative bietet sich das Strominjektionsverfahren (BCI, [2]) an, bei dem ein Magnetfeld in der BCI-Zange einen HF-Strom in einen Kabelbaum induziert. Obwohl der Aufbau des Prüflings, des Prüfkabelbaumes und anderer Peripheriegeräte auf dem Prüftisch (Abbildung 1rechts) in beiden Verfahren identisch erfolgt, ist leider die Vergleichbarkeit der Verfahren oft nicht gegeben [3,4]. In Abbildung 1-links sind die gemessenen Stromverläufe am Ende einer Einfachleitung in einem Testaufbau nach Norm für die beiden Testmethoden gegenübergestellt. Es ist ersichtlich, dass verschiedene Koppelmechanismen in den beiden Verfahren zu verschiedenen Störstromverläufen am DUT (Device Under Test)-Eingang führen. Die Ströme am DUT-Eingang und evtl. auf der Seite der für den Betrieb des DUT notwendigen „Load-Box“ sind für einen Ausfall verantwortlich. Die unterschiedlichen Amplituden können durch eine frequenzabhängige Anpassung der eingespeisten Leistung angepasst werden. Durch eine Verschiebung der BCI-Zange entlang der Leitung, bekommt man einen weiteren Freiheitsgrad, der die Anpassung des Stroms sogar auf beiden Seiten erlauben kann. Damit kann die Korrelation zwischen den BCIund Antennenprüfverfahren deutlich erhöht werden. In [5] sind zwei Verfahren für die Bestimmung der Position und der Einspeiseleistung der BCI-Zange vorgestellt. Für die Auswahl dieser Parameter ist es notwendig, die Impedanz der Abschlüsse zu kennen, was in der Praxis ein Problem darstellt. Eine direkte Bestimmung der Abschlussimpedanzen ist nicht zielführend, da der zusätzliche Messaufwand zu hoch wäre. Die Bestimmung der Abschlussimpedanz sollte im tatsächlichen Testaufbau mit einer potenzialfreien Messmethode durchgeführt werden können. Induktive Verfahren sind hierfür besonders geeignet. In diesem Beitrag werden Verfahren für die induktive Impedanzmessung an einer Testleitung unter Verwendung eines Stromsensors oder der BCI-Einkoppelzange als Messmittel vorgestellt und ausführlich diskutiert

Verbesserung der Korrelation zwischen dem BCI- und dem Antennenprüfverfahren für Kfz-Komponenten durch Anpassung von Verstärkerleistung und Position der BCI-Zange

In diesem Beitrag wurde eine Methode vorgestellt, um die Feldeinkopplung in ein Kabel durch eine Antennenprüfung nach ISO 11452-2 in einer Absorberkammer durch eine BCI-Prüfung nach ISO 11452-4 durch Verschieben der Position der BCI-Zange und Anpassung der Verstärkerleistung besser nachzubilden. Beide Verfahren werden modelliert und anhand der Modelle wurden Untersuchungen durchgeführt. Zur Bestimmung der Position und Eingangsleistung der BCI-Zange werden zwei Verfahren vorgeschlagen. Mit den entwickelten Verfahren kann eine frequenzabhängige Anpassung der Position und Leistung für verschiedene Impedanzverhältnisse durchgeführt werden. Bisher wurden die Untersuchungen nur an einfachen Leitungsstrukturen in der Simulation durchgeführt. In der Zukunft sollen auch Kabelbündel berücksichtigt werden. Weiterhin ist es für die Auswahl der Position der Zange und der Einspeiseleistung noch notwendig, die Impedanz der Kabelabschlüsse zu kennen, was in der Praxis ein Problem darstellt. Hier müssen noch praxistaugliche Verfahren entwickelt werden, um die notwendigen Impedanzdaten zu erhalten. Inwieweit die noch nicht berücksichtigten Phasenbeziehungen eine Rolle spielen ist noch zu untersuchen

Untersuchung des Einflusses von Parametervariationen auf die Störfestigkeit differentieller Kfz-Bussysteme

Differentielle Kfz-Datenbusse wie CAN oder FlexRay zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit gegen elektromagnetische Störungen aus. Um negative Einflüsse auf die Störsicherheit durch ungünstige Netzwerkkonstellationen oder Terminierungen zu identifizieren, können in einer Rechnersimulation vorab viele relevante Parameter eines Bussystems analysiert werden. Für die Störfestigkeitssimulation sind auf Systemebene geeignete Impedanz- und Verhaltensmodelle aller beteiligten Komponenten erforderlich. In [U. Hilger, S. Miropolsky, S. Frei: Modeling of Automotive Bus Transceivers and ESD Protection Circuits for Immunity Simulations of Extended Networks, EMC Europe, Wroclaw 2010] wurde ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich das Verhalten der ICs im kritischen Ausfallpunkt messtechnisch bestimmen und in Form frequenzabhängiger Impedanz- und Ausfallspannungen in die Modelle implementieren lässt. Mit VHDL-AMS können simulationsbasierte BCI-Störfestigkeitsuntersuchungen an CANund FlexRay-Bussystemen im Frequenzbereich bis 100 MHz durchgeführt werden. Die Methodik von BCI-Simulationen wurde bereits in [U. Hilger, S. Miropolsky, S. Frei: Analyse der Störfestigkeit von ausgedehnten Flex-Ray-Netzwerken durch BCI-Simulationen, Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, EMV 2012, Düsseldorf, Tagungsband Seiten 79 - 84, VDE Verlag, 2012] an einem ausgedehnten FlexRay-Netzwerk vorgestellt und die Anwendbarkeit des Verfahrens mit Modellen des gesamten Systemaufbaus nachgewiesen. Weiterführende Analysen in unterschiedlichen Netzwerkkonfigurationen wurden damit jedoch noch nicht durchgeführt. Daher werden in der vorliegenden Arbeit simulationsbasierte Untersuchungen an CANund FlexRay-Bussystemen mit der BCI-Methode angestellt. Die Busterminierungsparameter, die Leitungslängen und die Speiseposition der BCI-Koppelzange werden variiert und die problematischen Konfigurationen herausgearbeitet. Die vorgestellten Simulationsmodelle von Kfz-Bussystemen können auch in anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Beispielsweise wird in [C. R. Paul: Analysis of Multiconductor Transmission Line, John Wiley & Sons, Inc, 1994] auf der Basis eines einfachen Leitungsmodells die Einkopplung einer ebenen Welle in eine einzelne Leitung analytisch beschrieben, die sich 5 cm über einer Metallplatte befindet. Sind die Impedanzen an den Leitungsabschlüssen bekannt, kann beispielsweise das Erreichen der Störschwelle eines Bustransceivers in Abhängigkeit von der Feldstärke in der Umgebung der Leitung berechnet werden. Die Anwendung des Verfahrens auf ein FlexRay-Bussystem wird in Kapitel 3 näher beschrieben