Eidher, Roland

Garbe, Heyno

Scholl, Andrea Marie

Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover

Vorschlag zur Überarbeitung der Transferimpedanzanforderungen in CISPR 25 und CISPR 16-1-2 M.Sc. RWTH, Andrea Marie Scholl, Robert Bosch GmbH, Deutschland Dipl.-Ing., Roland Eidher, Robert Bosch GmbH, Deutschland  1 Einleitung  Neben der Messung der Störspannung gehört auch die Messung des Störstroms zu den normativen leitungsgebundenen Messverfahren, die nach CISPR 25 zur Charakterisierung der Störaussendung einer im Fahrzeug verbauten E/E-Komponente durchgeführt wird [1]. Der Messaufnehmer ist dabei eine Stromzange, die nach dem Transformatorprinzip den Störstrom aus dem Kabelbaum auskoppelt. Für die Anforderungen an eine Stromzange verweist die CISPR 25 dabei auf die CISPR 16-1-2. Während im ebenen (linearen) Bereich für die Transferimpedanz 0,1 Ω – 5 Ω (≙ -20 dBΩ bis 14 dBΩ) zulässig sind, sind unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs 0,001 Ω – 0,1 Ω (≙ -60 dBΩ bis -20 dBΩ) erlaubt. Der ebene (lineare) Bereich entspricht dabei dem Übertragungsbereich (Durchlassbereich) der Stromzange. Gemäß CISPR 16-1-2 sind auch genaue Messungen unterhalb des Übertragungsbereichs (Durchlassbereichs) möglich [2]. Abbildung 1 illustriert die Anforderungen inkl. exemplarischem Verlauf einer Stromzange.   Abbildung 1: Anforderungen an die Transferimpedanz nach CISPR 16-1-2 [2] inkl. exemplarischem Verlauf Die fehlende Durchgängigkeit der Transferimpedanz unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs und die maximal zulässige Transferimpedanz von 5 Ω (≙ 14 dBΩ) im ebenen (linearen) Bereich führen in der Praxis regelmäßig zu Herausforderungen: Während unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs häufig Stromzangen zur Einhaltung der Transferimpedanzanforderungen gewechselt werden müssen, reicht der Einsatz eines externen Vorverstärkers oberhalb 200 MHz zur Einhaltung des 6 dB Abstands zwischen Grundrauschpegel und nächstgelegenem Grenzwert oft nicht aus.   Dieses Paper erläutert die bisherigen Transferimpedanzanforderungen und leitet anhand der identifizierten Schwachstellen einen überarbeiteten Vorschlag für die CISPR 16-1-2 und aufgrund des Verweises darauf letztlich auch für die CISPR 25 ab.  10 100 1000 10k 100k 1M 10M 100M 1G−80−60−40−20020Stromzange AEbener (linearer) BereichUnterhalb des ebenen (linearen) BereichsTransfer ImpedancesFrequency (Hz)Amplitude (dBOhm)Transferimpedanz (dBΩ)Zulässige für den ebenen (linearen) BereichZulässige unterhalb des ebenen (linearen) BereichsFrequenz (Hz)10 100 1 k 10 k 1 G100 k 1 M 10 M 100 M-80-60-40-200+20unterhalb des ebenen (linearen) Bereichsebener (linearer) Bereich1892 Messung der Transferimpedanz Die Transferimpedanz 𝑍𝑍𝑡𝑡 einer Stromzange kann gemäß Abbildung 2 mit Hilfe eines Netzwerkanalysators und einer geeigneten Kalibrierhalterung (Jig) für die Stromzange ermittelt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der nicht am Netzwerkanalysator angeschlossene Port der Kalibrierhalterung mit 50 Ω terminiert wird. Abbildung 2: Exemplarischer Messaufbau zur Bestimmung der Transferimpedanz Die Transferimpedanz 𝑍𝑍𝑡𝑡 ergibt sich dann zu: 𝑍𝑍𝑡𝑡 =  𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝐼𝐼=  𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑈𝑈𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒50 𝛺𝛺=  𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑈𝑈𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒50 𝛺𝛺, wobei  𝐼𝐼 =  𝑈𝑈𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒50𝛺𝛺 (1). Alternativ lässt sich die Transferimpedanz 𝑍𝑍𝑡𝑡 auch logarithmisch unter Verwendung des Vorwärts-Transmissionsfaktors 𝑆𝑆21 ausdrücken als: 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑍𝑍𝑡𝑡) = 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝐼𝐼� =  20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎) − 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 (𝑈𝑈𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒50)  = 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎) − 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑈𝑈𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒) + 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 (50)  = 𝑆𝑆21(𝑑𝑑𝑑𝑑) + 34 𝑑𝑑𝑑𝑑, wobei  𝑆𝑆21 = 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎) − 20 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑈𝑈𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒)  (2). Aus den Formeln geht hervor, dass eine Stromzange mit höherer Transferimpedanz bei gleicher Eingangsspannung bzw. gleichem Eingangsstrom die höhere Ausgangsspannung liefert. Je höher also die Transferimpedanz einer Stromzange, desto effektiver ist ihre Wirkung als Transformator und desto höher ist ihre Sensitivität. 3 Transferimpedanzanforderungen 3.1 Aktuelle Transferimpedanzanforderungen und deren Schwachstellen Die Transferimpedanzen verschiedener kommerziell erhältlicher Stromzangen wurden gemäß Abschnitt 2 gemessen und sind in Abbildung 3 zusammen mit den aktuellen Transferimpedanzanforderungen dargestellt. Wie in Abschnitt 1 beschrieben, sind im ebenen (linearen) Bereich 0,1 Ω – 5 Ω (≙ -20 dBΩ bis 14 dBΩ) zulässig und unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs 0,001 Ω – 0,1 Ω (≙ -60 dBΩ bis -20 dBΩ). Es zeigt sich, dass nicht alle Stromzangen die Transferimpedanzanforderungen aus der CISPR 16-1-2 über ihren gesamten operativen Frequenzbereich einhalten. Netzwerk-analysatorPort 1 (50Ω)Port 2 (50Ω)IUeinUaus50ΩKalibrierhalterungKoaxialkabelKoaxialkabel190 Abbildung 3: Exemplarische Transferimpedanzverläufe verschiedener kommerziell erhältlicher Stromzangen Bei den Transferimpedanzanforderungen unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs fällt auf, dass diese nicht durchgängig bis zur maximal zulässigen Transferimpedanz für den ebenen (linearen) Bereich reichen. Dies hat zur Folge, dass einige Stromzangen unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs nur stückweise konform sind (siehe Abbildung 4). Wie bereits in Abschnitt 2 festgestellt, geht eine höhere Transferimpedanz mit einer höheren Sensitivität einher. Insbesondere oberhalb 200 MHz beeinträchtigt die Beschränkung der Transferimpedanz auf 5 Ω (≙ 14 dBΩ) im ebenen (linearen) Bereich die Sensitivität von Stromzangen: Anspruchsvolle Störstromgrenzwerte oberhalb 200 MHz können dann auch vom Grundrauschen oft nur in Verbindung mit einem externen Vorverstärker eingehalten werden. Die Einhaltung des 6 dB Abstands zwischen Grundrauschen und nächstgelegenem Grenzwert ist als Folge oft nicht möglich. Hinzu kommt, dass die Verfügbarkeit von Stromzangen, die im ebenen (linearen) Bereich die Transferimpedanzanforderungen aus CISPR 16-1-2 erfüllen, begrenzt ist.   Abbildung 5 zeigt exemplarisch die Transferimpedanzverläufe dreier Stromzangen: Während zwei der drei Stromzangen im ebenen (linearen) Bereich die Transferimpedanzanforderung < 5 Ω (≙ 14 dBΩ) erfüllen (Stromzangen E und K), überschreitet die dritte diese (Stromzange B). Unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs unterscheiden sich die Stromzangen B und E um bis zu 23 dB, 10 100 1000 10k 100k 1M 10M 100M 1G−80−60−40−20020Stromzange AStromzange BStromzange CStromzange DStromzange EStromzange FStromzange GStromzange HStromzange IStromzange JStromzange KEbener (linearer) BereichUnterhalb des ebenen (linearen) BereichsTransfer ImpedancesFrequency (Hz)Amplitude (dBOhm)Zulässige für den ebenen (linearen) BereichZulässige unterhalb des ebenen (linearen) BereichsFrequenz (Hz)100 1 k 10 k 1 G100 k 1 M 10 M 100 M+200-20-40-60-8010Transferimpedanz(dBΩ)Abbildung 4: Links: Beispiel einer durchgängig konformen Stromzange, rechts: Beispiel einer stückweise konformen Stromzange unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs 100 10k 1M 100M−80−60−40−20020Stromzange JEbener (linearer) BereichUnterhalb des ebenen (linearen) BereichsTransfer ImpedancesFrequency (Hz)Amplitude (dBOhm)100 10k 1M 100M−80−60−40−20020Stromzange AEbener (linearer) BereichUnterhalb des ebenen (linearen) BereichsTransfer ImpedancesFrequency (Hz)Amplitude (dBOhm)Zulässige 𝑍𝑍𝑡 für den ebenen (linearen) BereichZulässige 𝑍𝑍𝑡unterhalb des ebenen (linearen) BereichsZulässige 𝑍𝑍𝑡 für den ebenen (linearen) BereichZulässige 𝑍𝑍𝑡unterhalb des ebenen (linearen) BereichsTransferimpedanz (dBΩ)+200-20-40-60-80Frequenz (Hz)100 10 k 1 M 100 MTransferimpedanz (dBΩ)+200-20-40-60-80Frequenz (Hz)100 10 k 1 M 100 M𝑍𝑍𝑡 erfülltCISPR 16-1-2 Anforderung𝑍𝑍𝑡 erfüllt CISPR 16-1-2 Anforderung durchgehend𝑍𝑍𝑡 erfülltCISPR 16-1-2 Anforderungunterhalb des ebenen (linearen) Bereichsunterhalb des ebenen (linearen) Bereichsebener (linearer) Bereichebener (linearer) Bereich191während die Differenz zwischen Stromzangen B und K etwa 30 dB beträgt. Im ebenen (linearen) Bereich liegen Stromzangen B und E ca. 3 dB auseinander und Stromzangen B und K ca. 26 dB. Die Auswirkungen auf das Grundrauschen sind für die Stromzangen B und E in Abbildung 6 dargestellt; auf der linken Seite ohne Verwendung eines externen Vorverstärkers (VV), auf der rechten Seite mit. Der Versatz aus Abbildung 5 zwischen den beiden Transferimpedanzen bildet sich in den Grundrauschmessungen eins zu eins ab. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der sägezahnartige Verlauf des Grundrauschens ohne Verwendung eines Vorverstärkers auf die FFT-Methodik zurückzuführen ist und bei allen Auflösungsbandbreiten und Detektoren vorkommt. Abbildung 7 verdeutlicht dies anhand eines Vergleichs zwischen Suchlauf- (stepped) und FFT-Messempfänger. Bei Einsatz eines Vorverstärkers verschwindet der sägezahnartige Verlauf bei den FFT-Messungen. Abbildung 5: Exemplarische Transferimpedanzverläufe dreier ausgewählter, kommerziell erhältlicher Stromzangen Abbildung 6: Vergleich des Grundrauschniveaus zwischen zwei verschiedenen Stromzangen (Messungen jeweils mit 1 s im FFT-Modus, ohne Input Protection, mit 0 dB Eingangsdämpfung, an Eingang 1 mit DC-Kopplung, 6 dB EMI-Filter und Peak-Detektor) 10 100 1000 10k 100k 1M 10M 100M 1G−80−60−40−20020Stromzange BStromzange EStromzange KEbener (linearer) BereichUnterhalb des ebenen (linearen) Bereichs Transfer ImpedancesFrequency (Hz)Amplitude (dBOhm)Zulässige für den ebenen (linearen) BereichZulässige unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs26 dBFrequenz (Hz)+200-20-40-60-8010 100 1 k 10 k 1 G100 k 1 M 10 M 100 MTransferimpedanz(dBΩ)30 dB3 dB23 dB200k 500k 1M 2M 5M 10M 20M 50M 100M 200M−40−30−20−100102030Stromzange B: mit externem VV (9 kHz / 120 kHz), PeakStromzange B: mit externem VV (1 MHz), PeakStromzange E: mit externem VV (9 kHz / 120 kHz), PeakStromzange E: mit externem VV (1 MHz), PeakAmbient noise measurements with different current probes & preampFrequency (Hz)Amplitude (dBµA)200k 500k 1M 2M 5M 10M 20M 50M 100M 200M−40−30−20−100102030Stromzange B: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), PeakStromzange B: ohne VV (1 MHz), PeakStromzange E: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), PeakStromzange E: ohne VV (1 MHz), PeakAmbient noise measurements with different current probesFrequency (Hz)Amplitude (dBµA)Frequenz (Hz) Frequenz (Hz)200 k 500 k 1 M 2 M 5 M 10 M 20 M 50 M 100 MAmplitude (dBµA)-40-30-20-10010203 dB3 dB3 dB3 dB-40-30-20-1001020Amplitude (dBµA)200 M 200 k 500 k 1 M 2 M 5 M 10 M 20 M 50 M 100 M 200 M23 dB23 dB192Durch Verwendung einer Stromzange mit höherer Transferimpedanz (höher als die zulässigen 5 Ω (≙ 14 dBΩ) nach CISPR 16-1-2) kann je nach Frequenzbereich eine Verbesserung des Grundrauschniveaus von über 20 dB erreicht werden. Im ebenen (linearen) Bereich wird trotz der um 6 dB höheren Sensitivität (Anhebung der Transferimpedanzanforderung von 14 dBΩ auf 20 dBΩ) für anspruchsvolle Grenzwerte voraussichtlich weiterhin ein geeigneter Vorverstärker erforderlich bleiben.   Bei Messungen mit einem Prüfling ist hinsichtlich Auswahl eines geeigneten Vorverstärkers jedoch darauf zu achten, dass dieser nicht übersteuert. Eine Übersteuerung hat eine nicht-lineare Verzerrung des ausgekoppelten Störstroms zur Folge, die nicht ohne Weiteres kompensiert werden kann. Abbildung 8 zeigt die Auswirkungen verschiedener Stromzangen (siehe Abbildung 5) mit und ohne Vorverstärker auf eine Prüflingsmessung (Bürstenmotor).   Abbildung 7: Vergleichende Grundrauschmessungen zwischen einem Suchlauf- und einem FFT-Messempfänger (Messungen jeweils mit 50 ms für den Suchlaufempfänger und 1 s für den FFT-Empfänger, ohne Input Protection, mit 0 dB Eingangsdämpfung, an Eingang 1 mit DC-Kopplung, 6 dB EMI-Filter und Peak- bzw. CISPR-Average-Detektor, kurz: CAVG) Abbildung 8: Auswirkungen verschiedener Stromzangen und Vorverstärker auf einen Bürstenmotor (Messungen jeweils mit 1 s im FFT-Modus, ohne Input Protection, mit Auto Dämpfung, an Eingang 1 mit DC-Kopplung, 6 dB EMI-Filter und CAVG-Detektor) 40M 60M 80M 100M 120M 140M 160M 180M200M220M240M−40−30−20−1001020Stromzange B: ohne VV (120 kHz) - Peak - steppedStromzange B: ohne VV (120 kHz) - Peak - FFTAmbient noise measurements with different current probesFrequency (Hz)Amplitude (dBµA)40M 60M 80M 100M 120M 140M 160M 180M200M220M240M−40−30−20−1001020Stromzange B: ohne VV (120 kHz) - CAVG - steppedStromzange B: ohne VV (120 kHz) - CAVG- FFTAmbient noise measurements with different current probesFrequency (Hz)Amplitude (dBµA)Frequenz (Hz) Frequenz (Hz)Amplitude (dBµA)1030M 40M 60M 80M 100M 140M 200M 40M 60M 80M 100M 140M 200M0-10-20-30-400-10-20-3010Amplitude (dBµA)30M16 dB11 dB-40200k 500k 1M 2M 5M 10M 20M 50M 100M 200M−40−20020406080100120Stromzange B: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGStromzange B: Ambient mit ext. VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGStromzange K: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGStromzange K: Ambient mit ext. VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGAmbient noise measurements with different current probes & preampFrequency (Hz)Amplitude (dBµA)200k 500k 1M 2M 5M 10M 20M 50M 100M 200M−40−20020406080100120Stromzange B: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGStromzange E: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGStromzange K: ohne VV (9 kHz / 120 kHz), CAVGAmbient noise measurements with different current probes & preampFrequency (Hz)Amplitude (dBµA)Frequenz (Hz) Frequenz (Hz)200 k 500 k 1 M 2 M 5 M 10 M 20 M 50 M 100 M 200 M200 M-40-20020406080Amplitude (dBµA)1006 dB200 k 500 k 1 M 2 M 5 M 10 M 20 M 50 M 100 M≠ 6 dB-40-20020406080Amplitude (dBµA)10030 dB26 dB193Anhand einer Linearitätsprüfung mit Hilfe eines 6 dB Dämpfungsglieds wird ersichtlich, dass der gewählte Vorverstärker in Kombination mit Stromzange B übersteuert. Für weitere Entwicklungs- und insbesondere Freigabemessungen ist in diesem Fall ein anderer Vorverstärker zu wählen. 3.2 Vorschlag für neue Transferimpedanzanforderungen Die bisherigen Ausführungen zeigen, dass eine Überarbeitung der aktuellen Transferimpedanzanforderungen aus CISPR 16-1-2 die Sensitivität des Messsystems erhöhen, das Grundrauschniveau senken und darüber hinaus weitere kommerziell erhältliche Stromzangen kontinuierlich über ihren operativen Frequenzbereich CISPR-konform nutzbar machen kann. Eine Anpassung der aktuellen Anforderungen auf 0,1 Ω – 10 Ω (≙ -20 dBΩ bis 20 dBΩ) im ebenen (linearen) Bereich und 0,001 Ω – 10 Ω (≙ -60 dBΩ bis 20 dBΩ) unterhalb des ebenen (linearen) Bereichs ist ggf. in Kombination mit einem geeigneten Vorverstärker bereits ausreichend. Abbildung 9 illustriert den Vorschlag inkl. exemplarischem Verlauf einer Stromzange, die gemäß den neuen Anforderungen ab 200 Hz vollständig CISPR konform wäre.  Von den angepassten Stromzangenanforderungen profitieren auch Prüflabore, weil durch eine geschickte Wahl der Stromzange häufige Wechsel im Messbetrieb entfallen können. 4 Ergebnisse / Abschluss Der in Abschnitt 3.2 gemachte Vorschlag zur Überarbeitung der Transferimpedanzanforderungen ist auf der letzten Sitzung der CISPR/D/WG2 im Juni 2023 vorgestellt und zur Weitergabe an CISPR/A angenommen worden. CISPR/A berät aktuell über den Vorschlag (Stand: Januar 2024). Bisher wurde nach bestem Wissen der Autoren und gemäß Rückmeldung der beteiligten Normungsgremien noch kein anderer Vorschlag zur Überarbeitung der Transferimpedanzanforderungen in CISPR 25 und CISPR 16-1-2 bei den zuständigen Gremien eingereicht.  Literatur [1] CISPR 25 – Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbancecharacterisitcs, 2021.12 (Ed. 5)[2] CISPR 16-1-2 – Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus andmethods – Part 1-2: Radio disturbance and immunity measuring apparatus – Coupling devicesfor conducted disturbance measurements, 2014.03 (Ed. 2)Abbildung 9: Vorschlag zur Überarbeitung der Transferimpedanzanforderungen inkl. exemplarischem Verlauf einer nun kontinuierlich konformen Stromzange 10 100 1000 10k 100k 1M 10M 100M 1G−80−60−40−20020Stromzange JEbener (linearer) BereichUnterhalb des ebenen (linearen) BereichsTransfer ImpedancesFrequency (Hz)Amplitude (dBOhm)Zulässige für den ebenen (linearen) BereichZulässige unterhalb des ebenen (linearen) BereichsFrequenz (Hz)100 1 k 10 k 1 G100 k 1 M 10 M 100 M+200-20-40-60-8010Transferimpedanz(dBΩ)unterhalb des ebenen (linearen) Bereichsebener (linearer) Bereich194

Vorschlag zur Überarbeitung der Transferimpedanzanforderungen in CISPR 25 und CISPR 16-1-2

https://www.repo.uni-hannover.de/bitstream/123456789/17109/1/Proceedings_EMV2024_E-Book-189-194.pdf

Vorschlag zur Überarbeitung der Transferimpedanzanforderungen in CISPR 25 und CISPR 16-1-2

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