Optymalizacja Urządzeń i Obwodów pod kątem EMC

Krótki Opis

W rozwoju nowoczesnych produktów wzrosły wymagania dotyczące know-how w zakresie EMC. Dzisiejsze układy scalone są znacznie bardziej wrażliwe, a liczba norm i dyrektyw EMC, które muszą być spełnione, również wzrosła.

Artykuł dotyczy możliwości, jakie otwierają się obecnie przed twórcą elektroniki w zakresie optymalizacji urządzeń i obwodów pod kątem EMC. Ze względu na znacznie mniejsze struktury obwodów i niższe napięcia zasilania, w dziedzinie emisji EMC spadł poziom źródeł emisji. Ta zaleta jest jednak niwelowana przez wyższe częstotliwości sygnałów w wyniku wzrostu wydajności. W związku z tym niewiele się zmieniło w zakresie emisji w ogóle. Napędy elektryczne w pojazdach są tutaj jednym z wyjątków. Problemy wynikające z prądów RF, które nie występowały w aplikacjach bez napędów elektrycznych, znacznie pogorszyły sytuację.

Nastąpił ogólny wzrost problemów z odpornością EMC. Wynika to z niższych napięć zasilania układów scalonych i krótszych czasów przełączania.

Poziom odporności układów scalonych spada wraz z obniżaniem napięcia zasilania. Ze względu na dużą szybkość działania, układy scalone identyfikują nawet krótkie impulsy jako zakłócenia.

Nowe Zjawiska EMC

Rozwój technologiczny w dziedzinie elektroniki przyniósł nowe zjawiska EMC, które wymagają nowego specyficznego know-how EMC. Na przykład:

• ESD i układy scalone: nowoczesne, szybkie układy scalone reagują na bardzo krótkie impulsy zakłócające w specyficzny sposób, co prowadzi do zupełnie nowego zachowania EMC w testowanych urządzeniach.
• Nowe technologie stawiają bezprecedensowe wymagania techniczne: np. pojazdy elektryczne w odniesieniu do emisji
• Nowe systemy techniczne: wymagają wysokich standardów EMC dla połączeń wewnętrznych

Znaczenie Konsultacji EMC

Specjalistyczne know-how jest nieodzownym zasobem, gdy chodzi o wyznaczanie nowych kierunków technologicznych. Konsultant z doświadczeniem w odpowiednich dziedzinach może dostarczyć właśnie takie know-how.

Konsultant stale musi się mierzyć z najnowszymi, zwykle najbardziej skomplikowanymi problemami EMC. Podczas rozwiązywania tych problemów może zdobyć niezbędne know-how. Najcięższe przypadki EMC z przemysłu zazwyczaj lądują na biurku konsultanta. Musi on przypomnieć sobie i zastosować swoją wiedzę, ale jednocześnie jest w stanie zdobyć nowe doświadczenie. Praca ta pozwala konsultantowi rozpoznawać nowe zjawiska EMC wynikające z rozwoju technicznego, gdy tylko się pojawią. Może to być nawet wiele lat wcześniej, zanim te zjawiska EMC będą powszechnie znane w praktyce. Na przykład szybkie stany przejściowe, występujące podczas wyładowań elektrostatycznych, mogą dotyczyć tylko szybkich układów scalonych. Nowe, jeszcze niezidentyfikowane łańcuchy działań są odpowiedzialne dla tego zjawiska. Twórca widzi ten efekt dopiero podczas testu EMC. Testowane urządzenie reaguje w nietypowy, niewytłumaczalny sposób (rysunek 1).

Rysunek 1

Urządzenie nie przechodzi testu EMC, a w zasięgu wzroku nie ma ziemi. Środki EMC są najbardziej skuteczne, jeśli na samym początku projektu rozwojowego zostanie sporządzona solidna koncepcja EMC.

Szybkie Stany Przejściowe

Szybkie stany przejściowe, które występują podczas wyładowań elektrostatycznych, trwają przez ok. 200 ps. Tylko szybkie układy scalone mogą je rozpoznać i mogą być przez nie naruszone. Czas trwania zaburzeń przejściowych jest tak krótki, że normalne układy wyładowcze nie są w stanie ich zwarć. Oznacza to, że napięcie zaburzeń jest w stanie osiągnąć maksimum i zakłócić działanie elektroniki, nawet jeśli specjalista zakłada, że wszystko jest idealnie zwarte. Powstałe w ten sposób wzorce usterek są nieprawidłowe i nie pozwalają już na jednoznaczną interpretację.

Efekt ten jest dziś dość powszechny, ale dziesięć lat temu był raczej rzadki. Gdy znane są problemy, które prowadzą do tego zjawiska, można je kontrolować. Konsultant szybko się uczy, gdy ma z nimi do czynienia i udziela porad, dzięki czemu może być pomocny w rozwiązywaniu kolejnych problemów celowo i skutecznie.

Globalne Możliwości Tłumienia Zakłóceń

Zakres, w jakim konieczna jest interwencja w proces rozwoju, zależy od danego problemu EMC, który ma być rozwiązany, i może wiązać się z większym lub mniejszym nakładem pracy. Istnieją następujące globalne możliwości tłumienia zakłóceń w urządzeniach:

1. Zmiana opakowania komponentów
2. Zmiana układu
3. Wymiana układu scalonego, który jest odpowiedzialny za słaby punkt
4. Poprawa układu scalonego, który jest odpowiedzialny za słaby punkt
5. Zmiana obudowy i/lub konstrukcji mechanicznej

Rysunek 2

Stanowisko do badania odporności układu scalonego na zakłócenia impulsowe. Ten zestaw pomiarowy pozwala projektantowi lub producentowi układów scalonych określić poziom odporności każdego pojedynczego pinu. Odpowiednie środki ochronne mogą być następnie uwzględnione w układzie scalonym. Optymalizacja układu scalonego jest opłacalna dla producenta, jeśli chodzi o większe ilości.

Typy Doradztwa EMC

Doradztwo w Sytuacji Kryzysowej

Wprowadzenie produktu na rynek jest utrudnione przez utrzymujące się problemy z EMC (rysunek 3). Sytuacja zaczyna być dramatyczna. Konsultant zostaje poproszony o pomoc.

Rysunek 3

Jeśli urządzenie nie przejdzie testu ESD, może to znacznie opóźnić wprowadzenie produktu na rynek. Hartowanie urządzenia pod kątem EMC często wiąże się z wysokimi, niezabudżetowanymi kosztami.

Doradztwo podczas Procesu Rozwoju

Doradztwo w trakcie rozwoju wynika zazwyczaj z doświadczeń klienta. Pomysł wynika z wcześniejszego doradztwa kryzysowego, gdy w toku są nowe projekty, które zawierają niespotykane wcześniej wymagania EMC. Mogą to być nowe projekty o 10 do 100-krotnie wyższym współczynniku wydajności, które po raz pierwszy wymagają zastosowania innowacyjnych zasad technicznych. Takie projekty mogą być nowe i mogą być nawet nowe dla konsultanta. Oczywistym podejściem byłoby zbudowanie i wykorzystanie prototypów w celu przetestowania wszystkich niezbędnych środków. Doświadczenie uczy nas jednak, że złożonych systemów nie da się w ten sposób kontrolować. Znajdzie się kilka słabych punktów, które w prototypie zazwyczaj nakładają się na siebie nieprzenikliwie. W końcu znajdzie się jakieś rozwiązanie, ale nie będzie ono satysfakcjonujące. Dużo czasu i pieniędzy doprowadzi w końcu do kiepskiego kompromisu.

Rozbicie całkowitego systemu na poszczególne części jednak się sprawdziło. Na podstawie związku przyczynowo-skutkowego należy rozłożyć urządzenie na elementy. Zostanie to pokazane tutaj na przykładzie systemu szybkiej magistrali. System magistrali musi działać poprawnie w każdych warunkach, nawet jeśli wyładowanie elektrostatyczne spowoduje błąd bitu. Tor sygnałowy systemu szybkiej magistrali musi być podzielony na poszczególne elementy, takie jak: nadawczo-odbiorczy układ scalony, segmenty płyty drukowanej, złącza i kable. Wszystkie te komponenty są testowane oddzielnie pod kątem ich przydatności i w razie potrzeby ulepszane. W tym celu muszą być zdefiniowane odpowiednie cele EMC. Wreszcie, zoptymalizowane komponenty są montowane w próbce początkowej. Będzie ona odporna na zakłócenia, jeśli konsultanci i ich klienci prawidłowo współpracowali.

Zostanie tu również zbadany element złącza szybkobieżnego. Ustawienie systemu badawczego w postaci sekcji szybkiej (prototypu układu szybkiej pracy) nie byłoby wystarczająco elastyczne. Znacznie lepiej jest poznać parametr fizyczny złącza, który reprezentuje jego funkcję w interakcji z torem zaburzeń ESD, a mianowicie indukcyjność sprzężenia. Parametr ten opisuje zależność pomiędzy prądem zaburzeń ESD płynącym na zewnętrznej powłoce pinu wtyczki a napięciem indukowanym na wewnętrznych liniach sygnałowych. Indukcyjność sprzęgająca jest stałą niezależną od częstotliwości, która zależy jedynie od konstrukcji złącza. Oznacza to, że każde złącze ma swoją indywidualną wartość. Gdy przez złącze wtykowe przepływa z zewnątrz maksymalny impuls zaburzeń ESD, napięcie w liniach sygnałowych nie może przekroczyć poziomu odporności szybkiego układu scalonego. Jeśli indukowane napięcie jest większe, zaburzenia ESD będą zakłócać działanie układu o dużej szybkości. Do celów praktycznych można zaprojektować następujący najgorszy scenariusz: złącze powinno być w stanie przenieść całkowity prąd zaburzenia ESD 6 kV o wartości IESD = 22,5 A (prąd zgodny z EN 61000-4-2). Szybki odbiornik ma poziom odporności US wynoszący około 100 mV.

Obliczenia Indukcyjności Sprzężenia

Wymagana indukcyjność sprzężenia może być obliczona z

L = 3 pH.

3 pH to bardzo mała wartość dla złącza wtykowego. Złącza wtykowe mają zazwyczaj indukcyjności sprzęgające pomiędzy 30 pH a 1000 pH. Praktycznie nie ma złącza, które mogłoby rozwiązać ten problem. Sytuacji można zaradzić stosując dodatkową płytkę ekranującą nad złączem. Takie rozwiązania kosztują czas i pieniądze.

Producent złącza zazwyczaj nie zdaje sobie sprawy, jak ważna jest indukcyjność sprzężenia. Dlatego złącza, które mogą ewentualnie pasować do celu, muszą być kupione i zmierzone, aby znaleźć odpowiednie. Jeśli projekt jest wystarczająco duży, być może trzeba będzie opracować złącze na zamówienie specjalnie dla tej aplikacji. Byłoby to najbardziej eleganckie podejście. Oczywiście producent złącza wtykowego może stosunkowo szybko opracować złącze zgodnie z wymaganiami dotyczącymi indukcyjności sprzężenia. Pomoże mu w tym zestaw do pomiaru indukcyjności sprzężenia (rysunek 4) oraz narzędzie symulacyjne.

Rysunek 4

Zestaw do pomiaru indukcyjności sprzężenia zapewnia dobry dostęp do badanego urządzenia (złącza wtykowego) podczas pomiaru. Można go łatwo wyregulować, aż będzie wykazywał optymalne zachowanie EMC (wartość indukcyjności).

Jeśli na przykład metalowa część zostanie wygięta lub lekko przesunięta w miejscu pomiaru indukcyjności złącza, wpływ na indukcyjność można zobaczyć natychmiast na urządzeniu pomiarowym. Procedura ta umożliwia szybką optymalizację złącza. Docelową wartością dla złącza powinna być indukcyjność sprzężenia wynosząca około 1 do 2 pH, co jest niewyobrażalnie małą wartością dla złącza wtykowego. Po osiągnięciu wartości docelowej i umieszczeniu gotowego złącza w próbce początkowej, system złącza przejdzie test ESD.

Podsumowanie

Wszystkie istotne dla EMC komponenty, które znajdują się na ścieżce zakłóceń w systemie o dużej prędkości, muszą być traktowane w ten sam sposób.

Jeśli nie zastosuje się tego podejścia, to początkowa próbka nie powiedzie się i zamiast niej zastosuje się konwencjonalne złącze, którego indukcyjność sprzężenia nie jest nawet znana. W tym przypadku decyzja o projekcie zostanie podjęta, a w większości przypadków narzędzia produkcyjne zostaną już zbudowane. Znalezienie drugiego odpowiedniego i kompatybilnego złącza będzie trudne lub wręcz niemożliwe. W tym momencie istnieją dwie możliwości: zaprojektowanie dodatkowej części ekranującej nad złączem lub przeprojektowanie całego urządzenia.

Zadaniem konsultanta jest upewnienie się, że od samego początku wspólnie z twórcą elektroniki zastosowane zostanie właściwe podejście. Przykłady pokazują również wyraźnie korzyści z doradztwa w fazie rozwoju w porównaniu z doradztwem kryzysowym.