Entstören

Systematische Analyse statt ‘trial and error’

Warum EMV-Prüfungen scheitern

Ca. 70 % aller erstmaligen Prüfungen eines neuen Produkts in EMV-Laboren scheitern. Vieles davon ließe sich vermeiden.

Jede Schaltung, jedes Produkt ist anders. Dennoch gibt es Dinge weswegen Prüfungen immer wieder scheitern. Sparen Sie sich diese. Es bleibt genug zu tun mit den individuellen Dingen.

Während der Entwicklungsphase

Die meisten Punkte sollen hier nur stichpunktartig aufgelistet werden, da die Details an anderer Stelle bereits erläutert werden. Folgen Sie bitte den Links.

Vorbereitung der EMV-Tests

  • Betriebszustände definieren
    Diese sind meist NICHT bei allen Einzelprüfungen identisch.
    Mögliche Faktoren können hier sein

    • Sie sollen repräsentativ sein
    • Worst case
    • Sicherheitsrelevant
    • Maximale, im Einsatz realistische (!) Schalthäufigkeit
  • Definition der zu überwachenden Funktionen
    Sie müssen vereinbar sein mit dem Monitoring.
    Betriebsspannung und erwartete Stromaufnahme
    Anleitung und Warnhinweise für das Labor-Personal
  • Monitoring
    • Durchführbar?
    • Reproduzierbar?
    • Nachvollziehbar?
    • Ausreichend exakt?

Überwachen Sie nur Größen, die Ihnen auch nutzbare Informationen liefern. Hier kommen schnell enorme Datenmengen zusammen, die auch jemand auswerten muss.

Klären Sie im Vorfeld mit dem Labor ab, ob auch alle Überwachungen so möglich sind, wie Sie sich das überlegt haben. Möglicherweise müssen Sie an manchen Stellen etwas ändern, oder eigene Tools und Schnittstellen mitbringen.

  • Pass/Failed-Kriterien
    • Sinnhaft (Toleranzen definieren (!), Messrauschen und -genauigkeit beachten
    • Angepasst an die unterschiedlichen Prüfungen
    • Vereinbar mit dem Monitoring

Durchführung der EMV-Tests

Umgebungsnachbildung ist nicht oder nicht vollständig repräsentativ für das spätere Einsatzszenario.

Software arbeitet nicht fehlerfrei in der Testsituation. Oft ist die Original-Software nicht geeignet für den Betrieb mit der Umgebungsnachbildung. Anpassungen in der Software sind notwendig.

Testen Sie das zu testende System incl. der Umgebungsnachbildung vorher auf Herz und Nieren. Im EMV-Labor haben Sie nicht die Zeit dafür und oft auch nicht die notwendigen Ressourcen dabei.

Keine Zeit, keine Ressourcen,
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wie ich Ihnen helfen kann.

Die Top – 6 – Fehler

1.) Zu spät begonnen

Immer wieder wird viel zu spät begonnen sich im Entwicklungsprozess über die EMV Gedanken zu machen. In der Folge wird die Mehrzahl der ersten EMV-Prüfungen nicht bestanden. 70% aller EMV-Prüfungen scheitern beim ersten Anlauf. Das zeigt eine nicht repräsentative Umfrage bei akkredierten EMV-Laboren.

Wenn die Entwicklung aber schon so weit fortgeschritten ist, sind ca. 80 % der möglichen EMV-Stellschrauben quasi in Beton gegossen. Die restlichen 20 % sollen es dann richten. Dies funktioniert selten.

Die Folge: Rekursionen, die im Entwicklungsablauf weit zurück reichen und die regelmäßig den Terminplan und das geplante Budget gleichermaßen sprengen.

Die Lösung: Schon in der Konzeptphase mit der EMV beginnen. Mit iterativen Schritten, die noch nicht einmal viel Ressourcen binden, arbeitet man sich an die bestandene EMV-Prüfung heran.

2.) Keine Systembetrachtung

Jedes Produkt ist Teil eines größeren Systems. Selbst wenn es keine direkten elektrischen Schnittstellen nach außen hat, so agiert es EMV-mäßig dennoch mit seiner Umgebung. Produkte ohne übergeordnetes System gibt es nicht.

Diese Schnittstellen sind von Anfang an in die Betrachtungen mit einzubeziehen. Ob das gegenüber nieder- oder hochimpedant ist macht für die EMV einen gewaltigen Unterschied. Es gibt viele verschiedene externe Parameter, die auf mein Produkt Einfluss nehmen – positiv wie negativ.

Viele werden nun denken woher soll ich die denn kennen? Es gibt viele Stellen, an denen man fündig werden kann. Gibt es ein Lastenheft so ist dies immer die erste Quelle, bei der man fündig wird. Oft gibt allein die Funktion genügend Anhaltspunkte, was mich erwartet.

Vom ersten Moment an über den Tellerrand zu schauen ist Pflicht.

3.) Masse- und Versorgungssystem nicht hf-tauglich

Ein gutes Versorgungssystem mit der Masse als zentralem Element ist die unabdingbare Basis für das Bestehen einer EMV-Prüfung.

Ein Großteil der in der EMV kritischen Common-Mode-Störungen (Gleitaktstörungen) entstehen aufgrund eines schlechten Versorgungssystem. Auf außen angeschlossenen Leitungen reichen meist 5 µA Common-Mode-Strom, um bei Emissionstests durchzufallen!

Das Versorgungssystem spielt quasi überall hinein. So ist es auch die Basis für eine gute Signalintegrität, d.h. dass sich das Gerät nicht selbst stört.

4.) Rückstrompfade nicht beachtet

Ströme fließen im Kreis, d.h. zu Ihrer Quelle zurück. Unter E-Technikern eigentlich eine Binsenweisheit. Dennoch wird die Frage, wo die Ströme zur Quelle zurückfließen, oft sträflich vernachlässigt.

Dadurch werden zum einen wieder die Common-Mode-Ströme verstärkt. Zum anderen werden unnötig große Schleifen aufgespannt. Verkopplungen und/oder parasitäre Antennen sind die Folge.

Dies ist insbesondere deshalb so gravierend, weil es jeden EMV-Störmechanismus verstärkt.

Es ist jedoch gar nicht so einfach die Frage nach dem Pfad des Rückstroms zu beantworten. Es gibt meist nicht nur einen Pfad, denn dieser ist von der Frequenz abhängig. Unterschiedliche Frequenzanteile nehmen unterschiedliche Wege. Ich muss mir also die Impedanzverhältnisse meines Produktes klar machen, um hier grundlegende Fehler zu vermeiden.

5.) Mechanik-Konstruktion und Software nicht oder zu spät eingebunden

Der Einfluss der Mechanik und der Software auf die EMV-Qualität eines Produktes wird meist unterschätzt.

Besonders gilt dies für die Software, wobei Softwaremaßnahmen – wenn es richtig gemacht wird – nichts kosten. Stückkosten fallen sowieso nicht an. Weis der Software-Entwickler von Beginn an worauf es ankommt, entstehen seine Maßnahmen bei der Funktionsprogrammierung nebenbei, d.h. sie sind tatsächlich kostenlos. Dies kann so manche Hardware-Maßnahme überflüssig machen.

Die Mechanik-Entwicklung ist aufgrund größerer Vorlaufzeiten bei der Umsetzung zeitlich meist der Elektronik-Entwicklung voraus.

Gibt es keine Abstimmung zwischen den Entwicklungsparteien, so werden Fakten geschaffen, die selten revidierbar sind (und wenn dann nur mit hohen Kosten). Ist gar schon ein Werkzeug beauftragt, so ändert dies später wegen der EMV meist niemand mehr. Das wäre der finanzielle Super-GAU.

Mit der Mechanik werden oft parasitäre Antennen geschaffen, völlig unbemerkt. Oft der letzte Sargnagel der EMV! Eng hiermit verbunden ist das Thema Schirmung. Schirmung ist ein klassisches Systemthema. Die Schirmung ist immer nur so gut wie sein schwächstes Glied. Eine kleine Nachlässigkeit bringt das ganze System außer Tritt.

Essentiell ist deswegen, dass sich alle Entwicklungsfraktionen (incl. Fertigung!) bereits in der Konzeptphase zusammensetzen. Schon hier wird das gemeinsame EMV-Vorgehen definiert. Und später immer wieder zur EMV austauschen (!), so wie es bei anderen Themen völlig normal ist.

Hier lauern viele der oben erwähnten 80% Beton-Fallen.

6.) EMV-Tests ohne Vorbereitung

Wenn EMV-Messungen in den beauftragten EMV-Laboren scheitern, ist oft ein Grund dass diese seitens des Auftraggebers schlecht bis gar nicht vorbereitet wurden. Da wird gerne der Prüfling zum Labor geschickt, verbunden mit der Bitte das gute Stück bitte nach EMV-Norm xy zu testen.

Die meisten EMV-Labore haben richtig gutes Personal. Aber: Die Kollegen können nicht hellsehen.

Es wird nicht definiert was wie in welchen Betriebszuständen zu testen ist. Es steht in keiner EMV-Norm! Zu den Testobjekten werden keine Gegenstecker mitgeliefert, um eine Peripherienachbildung anzuschließen oder ein Signal überwachen zu können. Die Stecker können für Sie noch so sehr Standard sein. Für ein EMV-Labor sind sie es in der Regel nicht.

Wann ist ein Signal oder Zustand noch ok und wann „failed“? Wie groß sind die Toleranzbereiche? Toleranz Null muss zwangsläufig zu Fehlern führen.

All dies zu definieren ist Aufgabe des Auftraggebers.

Die weniger guten Labore fangen u.U. dennoch an und liefern einen Bericht mit dem Ergebnis „nicht bestanden“. Gute Labore werden Sie auf die Mängel in der Vorbereitung und deren mögliche Folgen aufmerksam machen. Aber die Zeit für die dann folgende Abstimmung muss natürlich bezahlt werden.

Wenn das Produkt zum reservierten Zeitpunkt bereits in der Messkabine steht und erst dann festgestellt wird, dass etwas nicht passt, dann tickt die Uhr und sie gehen im schlimmsten Fall ohne Ergebnis nach Hause.

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Zusammenhang zwischen Teilkomponenten und Endprodukt

Warum das Entfernen von Teilen der Hardware allein zur Fehleranalyse ungeeignet ist

Fragezeichen

Bei komplexeren Projekten mit mehreren Beteiligten kommt es immer wieder zu Stress mit der EMV und der Frage wer denn schuld sei. Da gibt es einen oder mehrere Subsystemlieferanten, möglicherweise einen Integrator und einem Systemverantwortlichen – meist der Auftraggeber.

Systemprüfung nicht bestanden

Werden nun auf Systemebene EMV-Prüfungen nicht bestanden, so startet oft die Suche nach dem Verantwortlichen. Dabei wird gerne mal die Suche nach der wahren Ursache in den Hintergrund gedrängt. Gelingt es einem der Beteiligten den „Schwarzen Peter“ zuzuschieben, so muss sich dieser alleine um die Lösung kümmern. Die anderen Beteiligten ziehen sich aus der aktiven Lösungssuche zurück.

Ein Verhalten, dass neue Probleme schafft und kein bestehendes löst.

Fehlersuche

Ein beliebtes Vorgehen bei der Ursachenforschung ist es nacheinander die einzelnen Subsysteme der Zulieferer (oder einzelne Bauteile) zu entfernen. Findet man bei diesem Vorgehen eine Konstellation, in der der Fehler nicht mehr auftritt, beginnt dieses Schwarze-Peter-Spiel. Man hat schließlich mit dem letzten Schritt den Verursacher lokalisiert. Wirklich? Sehr häufig, nein!

Kommt alles aus einer Hand, kann man keinen Schwarzen Peter verteilen. In der Folge passiert aber oft etwas ganz Ähnliches. Man konzentriert sich bei der Definition von Maßnahmen nur noch auf die scheinbar verantwortliche Subkomponente.

Und der Erkenntnisgewinn?

Was sagt es uns nun, wenn eine Komponente entfernt wird, der Fehler dann weg ist, nach hinzufügen der Komponente dieser wie zuvor wieder da ist?

Nichts! Rein gar nichts!

Der nächste notwendige Schritt ist mit Ausnahme der letzten alle zuvor durchgeführten Änderungen zurückzubauen. Ist dann der anfangs aufgetretene Fehler immer noch nicht wieder sichtbar, so hat uns dies der Lösungsfindung näher gebracht, aber einen Nachweis, dass das zuletzt entfernte Bauteil für die Störung verantwortlich ist, ist nicht erbracht. Wir wissen „nur“ dass die Störung über den Pfad des entfernten Bauteils einkoppelt. Dies ist eine wichtige Erkenntnis. Aber über die „Schuldfrage“ gibt sie noch keine Auskunft.

Es kann durchaus sein, dass zwar das Phänomen (das Fehlerbild) beseitigt wurde, aber die Ursache noch nicht gefunden wurde, weil diese wo anders liegt.

Deshalb ist das schwarze Peter Spiel zwischen Systemverantwortlichem und Teillieferant keines Falls zielführend. Ausser Stress auf allen Seiten bringt es nichts! Zur technischen Lösungsfindung trägt es nicht bei. Schlimmer noch, es behindert sie massiv.

Warum ist das so?

Jeder Hardware-Eingriff in ein System verändert dieses aus EMV-Sicht elementar. Impedanzverhältnisse ändern sich. In der Folge nehmen HF-Ströme andere Wege, es entstehen andere Spannungsabfälle an anderen Orten. Schlicht es ändert sich mitunter alles. Möglicherweise erreicht ein Strom nach entfernen der Subkomponente den Ort der Ursache nicht mehr, obwohl dieser Ort im System verblieb. Der Fehler wird nicht mehr sichtbar.

In meiner EMV-Laufbahn sind mir eine Vielzahl solcher Beispiele begegnet. Je komplexer die entfernte Subkomponente ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass mir diese Vorgehensweise irgendeine nutzbare Information liefert. Die Erfahrung lehrt, dass ein solches Vorgehen viel öfters in eine teurere Sackgasse führt, als zur Lösung beiträgt.

Es wird viel Zeit und Geld aufgewendet, um den vermeintlichen Verursacher zu optimieren. Doch am Ende ändert sich im System wenig bis nichts.

CE + CE = CE ?

Eine sinnvolle Analyse, die auf die Ursache statt auf das Fehlerbild abzielt, kann deshalb nur im kompletten System erfolgen. Jedes Teilsystem beeinflusst die anderen. Es gibt kein schuldig oder unschuldig. Die konstruktive Zusammenarbeit aller Systembeteiligter ist der einzige Weg zur Zielerreichung.

Deshalb gilt, dass 2 Komponenten mit Status grün bei EMV-Komponententests im Zusammenwirken keinerlei Garantie für ein Bestehen des Systemtests darstellen. Die finale Impedanzsituation ergibt sich erst nach Zusammenbau aller Komponenten.