Analiza Emisji Zakłóceń w Systemach Elektronicznych

Krótki opis

Wyobraź sobie przez chwilę, że wypróbowujesz nowy samochód: wsuwasz się na jeden z ergonomicznych foteli, uruchamiasz silnik i, żeby było idealnie, chciałbyś posłuchać muzyki. Ale kiedy ją włączasz, nagle zauważasz ciekawe efekty uboczne. Na przykład w kabinie pasażerskiej zapala się światło. Albo radio zaczyna gwizdać i marudzić.

Są to stosunkowo niegroźne zjawiska. Mogą wystąpić znacznie poważniejsze problemy, które mogą nawet zagrozić bezpieczeństwu jazdy lub pogorszyć funkcje samochodu.

Zakłócenia o wysokiej częstotliwości są bardzo uciążliwe w nowoczesnych samochodach elektrycznych, pojazdach hybrydowych lub złożonych systemach elektronicznych zapewniających bezpieczeństwo i komfort kierowcy.

Rysunek 1: Komponent promieniuje do metalowej struktury fotela kierowcy poprzez elektryczne pole bliskie. Tak wzbudzony fotel kierowcy wypromieniowuje do anteny pojazdu emisje zakłócające odbiór radiowy.

Problemy z Pomiarami i Analizą

Zazwyczaj za emisję odpowiada nie komponent elektroniczny jako całość, ale pojedyncze urządzenie. Urządzenie, takie jak rezonator kwarcowy lub mikrokontroler, wywołuje lokalne pola elektromagnetyczne, które indukują napięcia w obudowach lub częściach konstrukcyjnych. Części te są więc pobudzane do oscylacji i w efekcie wypromieniowują emisje. Twórca z pewnością sprawdzi swoje komponenty pod kątem emisji, przeprowadzając w trakcie procesu badań pomiary komponentów w komorze badawczej EMC. Ale te będą mierzyć emisje z badanego urządzenia w ogóle. Metody pomiarowe stosowane w takich badaniach nie są w stanie wystarczająco ocenić pól bliskich badanego urządzenia. Wykonując pomiary metodami konwencjonalnymi, twórca nie może ingerować bezpośrednio w badane urządzenie, dokładniej mierzyć poszczególnych sekcji komponentu lub zrobić cokolwiek, aby dotrzeć do sedna źródła emisji. Wyjmuje on swoje testowane urządzenie z komory EMC, wkłada je do opakowania i zabiera z powrotem do swojego miejsca pracy. Kolejnym problemem w połączeniu z tymi metodami pomiaru komponentów jest to, że komponent jest badany poza rzeczywistym środowiskiem pojazdu i częstotliwości emisji mogą nie być mierzone, ponieważ w przeciwnym razie obecne sąsiednie części konstrukcyjne nie są stymulowane do oscylacji.

Wracając do swojego miejsca pracy, deweloper może jedynie porównać obrazy częstotliwości z testu komponentu z obrazami uzyskanymi z doświadczeń w innych procesach rozwojowych i przyjąć założenia dotyczące przyczyn problemów. Na podstawie tych założeń modyfikuje on następnie testowane urządzenie. Dopiero dalsze pomiary testowe w komorze EMC pokażą mu, czy było to poprawne i skuteczne. Konfiguracja pomiarowa musi być powtórzona dla pomiarów nowych komponentów. Jednak w większości przypadków komponent, a zwłaszcza wiązka przewodów, nie może być przywrócony do absolutnie identycznej pozycji. Powoduje to odchylenia w pomiarach. Charakterystyki odpowiedzi częstotliwościowej zmierzone na różnych etapach rozwoju badanego urządzenia nie mogą być natychmiastowo i elastycznie porównywane. Konstruktor musi umieścić poszczególne protokoły jeden obok drugiego i porównywać je krok po kroku.

Takie podejście do rozwoju komponentów EMC zajmuje dużo czasu, jest skomplikowane i niezadowalające dla dewelopera - wymaga więc dużego wysiłku i powoduje wysokie koszty.

Efektywne Poszukiwanie Źródeł Emisji

Potrzebne jest tu bardziej efektywne poszukiwanie źródeł emisji w złożonych systemach elektronicznych w trakcie ich rozwoju. Inżynier musi być w stanie zmierzyć jak najwięcej zakłóceń, systematycznie identyfikować źródła RF, przeprowadzać modyfikacje i testy elastycznie w swoim miejscu pracy, aby zaoszczędzić czas i koszty.

Przyjrzyjmy się teraz, w jaki sposób komponent może stać się źródłem emisji.

Zespół elektroniczny lub sam przewodnik drukowany nie wysyła zazwyczaj żadnych emisji. Ale poszczególne urządzenia mogą generować bliskie pola RF, a te otaczają np. podłączone kable. Indukują tam napięcie i w ten sposób powodują ich promieniowanie. Ze względu na sprzężenie elektryczne lub magnetyczne (tj. w polu bliskim), cały system metalowy, składający się z komponentu i podłączonych do niego kabli, jak również metalowych części, takich jak obudowy, płyty ekranujące itp. w jego bezpośrednim sąsiedztwie, podlega "samowzbudzeniu" (Rysunek 2).

Rysunek 2: Mikrokontroler umieszczony na elemencie wypromieniowuje pole magnetyczne. Okrąża ono kolumnę kierownicy, gdzie indukuje napięcie. Napięcie to pobudza kolumnę kierownicy do wypromieniowania emisji, które mogą zakłócić działanie wrażliwych elementów w pobliżu fotela kierowcy.

Układ Pomiarowy

Opiszemy teraz układ pomiarowy, który spełnia nasze wymagania dotyczące efektywnego rozwoju komponentu pod względem emisji.

Emisje są mierzone w konwencjonalnych warunkach pomiarowych, na przykład za pomocą anteny. Badane urządzenie musi zostać zmodyfikowane, jeśli jedna lub więcej częstotliwości próbki badanej przekracza wartości graniczne określone w odpowiedniej normie. Wartości z tego pomiaru są wykorzystywane jako odniesienie dla kolejnych pomiarów porównawczych (Rysunek 3).

Rysunek 3: System ESA1 z oprogramowaniem ChipScan-ESA i analizatorem widma

W przypadku komponentu, który wykazuje emisje w badaniach EMC, możliwe jest pomiar bezpośredni na rzeczywistym urządzeniu, nawet w przypadku, gdy jest ono w rzeczywistym środowisku aplikacyjnym. Pomiar można wykonać bezpośrednio w obudowie namiotu EMC. Wymaga to jedynie, aby porty zewnętrzne były prawidłowo połączone z obudową namiotu.

Właściwa metoda pomiarowa dla dokładnego pomiaru emisji polega na analizowaniu bezpośrednich pól elektromagnetycznych wokół komponentu przy pomocy detektorów częstotliwościowych, aby ocenić przyczynę oraz wydajność zabezpieczeń EMC.

Rysunek 4: Pomiar pól elektromagnetycznych wokół komponentu za pomocą detektora częstotliwościowego

Detektor częstotliwościowy jest wykorzystywany do rejestrowania i analizowania pól bliskich wokół komponentu oraz w jego sąsiedztwie, aby zlokalizować źródło emisji. Urządzenia tego typu mogą bezpośrednio mierzyć emisje z komponentu w jego rzeczywistym środowisku, co umożliwia inżynierom szybką identyfikację i modyfikację źródeł zakłóceń oraz optymalizację ochrony EMC w sposób bardziej efektywny.

Podsumowanie

Właściwe zarządzanie emisjami w procesie rozwoju komponentów elektronicznych jest kluczowe dla zapewnienia ich funkcjonalności i zgodności z normami EMC. Opracowanie efektywnego systemu pomiarowego i analiza pól elektromagnetycznych w rzeczywistym środowisku komponentu pozwala na szybsze i bardziej precyzyjne identyfikowanie źródeł zakłóceń oraz optymalizację konstrukcji komponentów w celu zapewnienia ich prawidłowego funkcjonowania.