Ontwerptechnieken voor EMC

Presentatie over: "Ontwerptechnieken voor EMC"— Transcript van de presentatie:

1 Ontwerptechnieken voor EMC
Wat is EMC en Waarom EMC? Het te ontwerpen product moet binnen vooropgestelde grenzen blijven functioneren in een elektromagnetische omgeving Het mag zelf niet te veel straling afgeven om de omgeving niet te vervuilen. Maak voldoende simulaties , voer simpele test uit op prototypes en meer gestandaardiseerde test als het in productie gaat Zorg dat uw product voor de bedoelde markten in orde is op gebied van EMC (behaalde certificaten).

2 Deel 1 Ontwerpfase en keuze van de komponenten m.b.t. EMC

3 Keuze komponenten 1.Digitaal ontwerp.
Ga op zoek naar EMC vriendelijke versies van de componenten. Sommige hebben tot 40 dB minder emissie dan de reguliere versie.(microcontrollers) De meeste digitale schakelingen worden geklokt met een blokgolf. Deze heeft een zeer hoog harmonisch gehalte (figuur 1) Hoe hoger de klokfrequentie en hoe scherper de flanken , hoe meer harmonische frequenties men heeft die ook nog in amplitude toenemen wat resulteert in een hogere emissie. Kies altijd de laagste klokfrequentie en de traagste stijg- en daaltijd om de specificaties van uw toestel te halen.(ACT,HCT,CMOS)

4

5 Criteria GND Vcc Vcc GND Vcc GND
Massa en Voeding van het IC Kies naast elkaarliggende , gecentreerde of meerdere aansluitingen voor voeding en massa. ( De TTL standaard met diagonaal aansluitingen veroorzaken de meeste EMC en grondlus problemen) GND Vcc Vcc GND Vcc GND

6 Beperk de spanningsverandering en de stijg- en daaltijden
Intomen van deze twee faktoren zal ook de dV/dt en de dI/dt verkleinen wat resulteert in een kleinere emissie. Aanpassing van de in- en uitgangen De ingangs- en uitgangsimpedantie van de I/O’s moeten aangepast worden bij hogere frequenties om reflecties te vermijden. Vb. Uitgangsimpedantie van 50 Ohm moet gekoppeld worden aan een coaxiale kabel of een printbaan van 50 Ohm. Maak gebruik van gebalanceerde signaaloverdracht. Deze signalen hebben niet de massa als referentiepunt voor het bepalen van de grootte van het signaal , maar de grootte wordt bekomen door het verschil te nemen van beide signalen (vb. OUT- en OUT +).Aangeraden als de klokfrequentie boven de 66MHz komt.

7 Maak gebruik van digitale logica die niet in saturatie mode werken.
Niet-saturatie mode heeft minder hogere harmonische.Dus mindere emissie. TTL is een voorbeeld van saturatie mode. Beperk uw ingangscapaciteit. Wanneer er een verandering optreedt aan een digitale ingang wordt de ingangscapaciteit voor een korte tijd kortgesloten waardoor er stroompieken ontstaan. Deze veroorzaken magnetische uitstraling en grondstromen. Hoe kleiner de ingangscapaciteit ,des te kleiner het EMC probleem en grondstromen.

8 Vermogen van de uitgangen niet hoger kiezen dan nodig
De uitgangsstromen van een bus driver mogen niet groter zijn dan nodig. Indien niet, hebben we grotere stroomveranderingen in de uitgangstransistoren. Dit heeft emissie tot gevolg. Men moet ook opletten voor verschillende behuizingen en fabrikanten van hetzelfde IC.Deze kunnen verschillende EMC specificaties hebben. Het gebruik van IC – voetjes is af te raden. SMD- technieken is aan te bevelen of rechtstreeks solderen van uw IC’s. Alles hangt er natuurlijk vanaf hoe hoog de frequenties zijn die je gebruikt in je ontwerp.

9 Ontwerp-Technieken Kies indien mogelijk voor niveau detectie in plaats van flank detectie bij de digitale ingangen. Flank-detectie IC ‘s zijn zeer gevoelig voor hoog frequente interferentie. Wanneer er relatief lange PCB banen zijn, gebruik dan traag variërende flanken (rise and fall times) voor de digitale veranderingen. Probeer de uitgangscapaciteit zo laag mogelijk te houden. Dit beperkt de verandering van de uitgangsstromen bij verandering van logische niveau’s aan de uitgang.Dit resulteert in een mindere emissie en grondstromen.

10 De pull-up weerstand voor een open - collector uitgang moet zo dicht mogelijk bij het IC staan. Men gebruikt ook de hoogste waarde die mogelijk is voor de weerstand . Dit reduceert de grondstromen en de maximum stromen met als gevolg minder magnetische uitstraling. Plaats hoog frequente componenten ver weg van konnektoren en draden. Er kan crosstalk ontstaan tussen de metalen delen van de konnektor ,verbindingsdraden en andere geleiders dicht in de buurt.Enige uitzondering is de konnektor van een hoog frequente komponent dient er zo dicht mogelijk bij te staan. Binnen een afgewerkt produkt mogen de verbindingsdraden niet naast of over hoog frequente delen liggen .

11 Hoog frequente ontkoppeling van de voedingsspanning of referentie spanning is van vitaal belang bij iedere digitale IC. Ontwerp massavlakken voor alle digitale ontwerpen. Gebruik transmissielijn technieken waar nodig. Reflectie (staande golven) vermijden. De klok, bij digitale schakelingen, is de grootste bron van vervuiling (emissie). Maak de totale lengte van deze printbaan zo kort mogelijk.Beperk U ook tot één layer. Wanneer U toch lange printbanen nodig hebt naar verschillende belastingen dan plaats U best een buffer dichtbij het betreffende IC. Spread-spectrum technieken Deze techniek vermindert de gemeten uitstraling, maar het vermindert niet het uitgezonden vermogen. Het gaat dit vermogen uitsmeren over een frequentiebereik. De techniek bestaat uit het moduleren van de klokfrequentie met 1 à 2 % om harmonische op te wekken en een lager piekvermogen te krijgen dan bij één frequentie

12

13 2. Analoog ontwerp. De keuze van analoge componenten is niet zo eenvoudig te kiezen als voor digitale componenten . De reden hiervoor ligt in het feit van een grotere keuze in analoge golfvormen. Algemene aandachtspunten : de slew rate, voltage swing en uitgangsstromen moeten tot een minimum beperkt worden maar mogen de goede werking van de schakeling niet beïnvloeden. Een ander groot probleem bij laag frequente schakelingen is dat de componenten in de mogelijkheid zijn om RF signalen te demoduleren. Opamps zijn zeer gevoelig voor radio interferentie , ongeacht het feedback schema dat gebruikt wordt. Om RF demodulatie te voorkomen moeten analoge schakelingen stabiel en lineair blijven gedurende de interferentie

14

15

16 Om een goede stabiliteit na te streven in terugkoppelcircuits moeten capacitieve belastingen gebufferd worden met een weerstand of smoorspoel. Het terugkoppelnetwerk bij een integrator schakeling zal meestal bestaan uit een capaciteit en een weerstand (+/- 560 Ohm)in serie . De weerstand is alleen nodig voor capaciteiten groter dan 10pF. Een hoogfrequente filterschakeling wordt nooit met een actieve schakeling uitgevoerd. Gebruik altijd passieve komponenten , bij voorkeur RC-netwerken. Voor een stabiele en lineaire schakeling zijn alle toegangen tot die schakeling voorzien van passieve filters . Digitale schakelingen in de buurt veroorzaken ruis en harmonischen die de analoge schakeling kan beïnvloeden.

17 En IC en de bijbehorende filters moeten aangesloten worden aan het lokale ground plane (grondvlak).
Ingangs- en uitgangsfilters zijn altijd nodig wanneer je gebruik maakt van externe kabelverbindingen. Ze zijn niet nodig wanneer je opamps met elkaar verbindt op een PCB, maar deze verbindingen moeten wel liggen in een grondvlak en mogen niet te lang zijn. Kabelverbindingen gebruikt in een niet afgeschermde omgeving hebben filterschakelingen nodig omwille van het antennekarakter van de verbinding. Analoge IC hebben een goede RF ontkoppeling nodig van hun voedingspinnen en referentiepinnen.(A-D converters) Transmissielijntechnieken zijn essentieel bij hoge frequenties. Vermijd het gebruik van hoog impedante ingangen en uitgangen.Ze zijn gevoelig voor elektrische velden. Gebruik gebalanceerde zend- en ontvangsttechnieken.Hier gebruikt men niet de 0 V als terugkeerpad.

18

19 Komparators met een hysterisis zijn aan te raden, ter voorkoming van valse uitgangen veroorzaakt door ruis en interferenties en oscillaties. Het is soms nodig analoge IC in een afgeschermde metalen behuizing te stoppen en deze behuizing te solderen aan het grondvlak. 3. Switch-mode design Deze schakeltechniek staat bekend om het produceren van veel ruis en harmonische . Denk aan schakelende voedingen. Probeer de harmonischen te beperken door volgende technieken toe te passen: - zero-voltage switching(ZVS) zero-current switching(ZCS) Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe hoger de harmonische ,hoe complexer de afscherming en de filtering.

20 Wat is snubbing? Dit is een elektronische techniek om schakel transistors te beschermen tegen overspanningen geproduceerd door verdwaalde componenten die in resonantie gaan. Voorbeeld met een transfo , snubbers worden geplaatst over de winding (primair of secundair) waar overspanningen worden verwacht. Welke componenten? Meestal voldoet een capaciteit en een weerstand in serie aan de EMC richtlijnen. Koelelementen hebben ongeveer 50pF capaciteit t.o.v. een drain of een collector van een vermogenelement.Door de dV/dt van het vermogenelement gaat het koelelement elektrische velden verspreiden naar de componenten in de buurt. Een oplossing is de koelvin te bevestigen aan een voedingsspanning.Hou wel rekening met de veiligheidsvoorschriften, want de koelvin staat onder spanning!!!

21

22 Koelvinnen kan je ook capacitief koppelen aan een voedingsspanning
Koelvinnen kan je ook capacitief koppelen aan een voedingsspanning. Je kan dan de capaciteit tunen zodat de uitstraling minimaal wordt. 4. Signaal communicatie 4.1 Non-metallic communications De beste communicatiekanalen zijn infrarood, optisch, vrije lucht en glasvezels omdat deze ongevoelig zijn voor EM golven. Metalen geleiders moeten voorzien zijn van filters en moeten over 360° afgeschermd worden bij vertrek en aankomst.Een metalen geleider is immers een antenne!!!! Metalen geleiders zijn goedkoper dan niet-metalen, maar als je de nodige filters en afschermingen er bij rekent, zullen de niet-metalen geleiders goedkoper zijn.

23 4.2 Techniques for metallic communications
Single-ended communicatie heeft geen of weinig EMC performantie zowel voor uitstraling als voor immuniteit. Deze vorm is bedoeld voor bij lage frequenties, lage data rate, en kort afstanden. Op een PCB is er altijd een grondvlak onder de single-ended track Wanneer we te maken krijgen met hoge frequenties wordt de communicatie verzorgd door gebalanceerde signalen (ook op de PCB’s)(zie figuur) De beste oplossing is een A/D converter , versturen van encoded data met error correction en dit gerealiseerd met een fibre optic. Vergezel de communicatie kabel met een aardgeleider

24

25 Voor lage frequenties onder de 100 kHz zijn hogere spanningsniveau’s beter in een communicatie link. Voor frequentie hoger dan 10 MHz kunnen hoge spanningen leiden tot uitstraling , dus hier zijn lagere spanningsniveau’s beter. Het beste kabeltype voor communicatiedoeleinden m.b.t. EMC is zodanig geconstrueerd dat elke signaalgeleider een terugkeergeleider heeft.Per signaal twee geleiders (signaal en massa).Balanced twisted-pairs. Gebalanceerde zend en ontvang IC zijn aan te bevelen in combinatie met transformatoren die zorgen voor de galvanische scheiding. Het is belangrijk dat je gebalanceerde signalen kunt behouden over het hele frequentie spectrum.Galvanische transformatoren geven een minder goede balans bij RF, daarom plaatsen we smoorspoelen in serie met de geleiders om dit te compenseren.

26

27

28

29

30 4.3 Opto-isolation Dit is een techniek die gebruikt wordt bij een digitale communicatie link. De input-output capaciteit van een typische opto-coupler is ~ 1pF. Voor frequenties boven de 10MHz kan dit een interactie geven met de omliggende impedanties en de balans van de signalen in de kabel. Het is daarom aangewezen om een smoorspoel in serie te plaatsen om de balans bij hoge frequenties te herstellen.Dit laat toe om hogere snelheden te halen zonder emissie of immuniteits problemen.

31

32 5. Keuze van passieve komponenten.
Alle passieve componenten bezitten parasitaire weerstanden , capaciteiten en spoelen. Bij hoge frequenties , waar de meeste EMC problemen zich voordoen, gaan deze parasitaire componenten domineren. De originele component gaat zich totaal anders gedragen Vb. een filmweerstand kan zich gaan gedragen als een spoel(inductantie van aansluitdraden en de spiraalgroeven) of capaciteit(shunt cap. van 0,2pF). Draadgewonden weerstanden zijn waardeloos boven een paar KHz, daarentegen film weerstanden(<1 kOhm) behouden hun weerstandgedrag tot een paar honderd MHz. Een capaciteit zal gaan resoneren ten gevolge van eigen inductantie en aansluit inductantie. Boven de resonantiefrequentie zal de capaciteit zich als een spoel gaan gedragen

33 Keramische capaciteiten geven de beste hoog frequente performantie.
SMD componenten zijn aan te bevelen omdat ze geen aansluitdraden hebben en ook kleinere behuizing. Daardoor zijn de parasitaire componenten zeer klein. Dit heeft voor gevolg dat de frequenties,waarbij deze parasitaire komponenten een rol gaan spelen, veel hoger liggen . Vb. Een SMD weerstand < dan 1 kOhm blijft een weerstandsgedrag behouden tot 1 GHz.

34 Design Techniques for EMC Deel 2
Cables and connectors

35 Alle kabels zijn antennes
Gebruik van het spectrum en interferentie

36 Deze figuur toont het gebruik van de frequenties in het dagelijks leven. Dit gaat van AC schakelende voedingen , audio frequenties ,MW,LG en FM band tot TV uitzendingen en GSM (900,1.8). De figuur kan nog verder uitgebreid worden tot …. GHz als we de microgolftechniek in aanmerking nemen. Dit frequentiespectrum is vrij van vervuiling, maar als we deze mee in rekening brengen, moeten we de volgende figuur optellen met de vorige. We zien hier dat de voedingsbronnen een grote vervuiler zijn: schakelende diodes geven vele harmonische van de netspanning, thyristorsturingen zijn ook grote vervuilers. Deze laagfrequente straling kan gemakkelijk interfereren met MW en een deel van de korte golf.

37 Figuur

38 Schakelende voedingen die een schakelfrequentie hebben van 70kHz , kunnen harmonische frequenties realiseren die storingen kunnen veroorzaken tot in de FM- Band. In de figuur is ook een microprocessor geschetst waarvan de klokfrequentie 16 MHz is. We zien dat deze vervuiling veroorzaakt tot ver boven 100 MHz. Het is dus te begrijpen dat de huidige generatie van computers die klokfrequenties hebben tot 2 GHz het bovenste deel van het spectrum .

39 De reden waarom we dit alles vermelden is dat alle geleiders antennes zijn.
Zij converteren geleidende elektriciteit in elektromagnetische velden welke dan in de ruimte verdwijnen. De geleiders converteren ook elektromagnetische energie in geleidende elektriciteit. Er is geen uitzondering op deze regel.

40 Antenne effecten bij geleiders
Elektrische velden worden veroorzaakt door spanningen. Magnetische velden worden veroorzaakt door stromen. Elke geleider creëert beide velden, dus elk elektrisch signaal aanwezig in een geleider zal deze velden produceren en zal ook toelaten dat andere aanwezige velden de aanwezige elektrische signalen gaan verstoren.

41 Afstanden van geleiders groter dan 1/6 van de golflengte (lambda) van de frequentie zullen EM golven gaan ontwikkelen Voorbeeld: lengte geleider > dan 1.6m voor 30 MHz of 166 mm voor 300 MHz of 55 mm voor 900 MHz. Als de lengte gelijk wordt als de golflengte (lamda = c/f) treedt er resonantie op . Dit betekent dat het hele signaal wordt omgezet in een EM golf. Hou de lengte van een bepaalde track in het oog met betrekking tot de gebruikte frequenties !!!!!!

42

43

44 Een signaal of veld (EM) van 100Mhz zal een 1 meter lange geleider als een efficiënte antenne vinden , voor 1 GHz is dit 100 mm De blauwe lijn in de figuur zal geen efficiënte antennes maken , maar kan toch wel voor problemen zorgen. De groene lijn laat lengtes zien die geen probleem vormen.

45 Alle kabels zijn intrinsieke weerstanden, capaciteiten en spoelen
De weerstand van een draad van 1 mm bij 160 MHz is 50 keer meer dan bij DC. De oorzaak ligt in het skin-effect dat de stroom in de geleider naar buiten duwt. (67% in 5 microns) Een draad van 25 mm lang en 1 mm dik heeft een intrinsieke capaciteit van 1 pF.Dit lijkt niet zo veel maar bij 176 MHz is dit een belasting van 904 Ohm. Wordt deze draad dan nog eens gestuurd door een 16 MHz blokgolf van 5 Volt dan zal de 11de harmonische deze draad als een belasting van 904 Ohm zien en een stroom voeren van 0.45 mA.

46 Een connector pin van 10 mm lang en 1 mm dik heeft een inductantie van 1 nH. Wanneer we dit ook sturen met een blokgolf van 16 MHz en 5 V /40 mA , dan zal dit een spanningsval veroorzaken van 40 mV. Dit kan genoeg zijn om het signaal te verstoren. Vuistregel: De intrinsieke capaciteit en inductantie voor geleiders onder de 2 mm is 1 pF per inch en 1 nH per mm.

47 Vermijd het gebruik van geleiders indien mogelijk
Alternatieven zijn: fiber-optic wireless infra-red free-space microwave en laser links -Vermijd het gebruik van vele onderlinge kabelverbindingen in een ontwerp. Probeer zoveel mogelijk printen met connectoren aan mekaar vast te maken.(PCB met Gound-Plane)

48 - Bekabeling

49 Send and return geleiders
Gebruik altijd “paar” geleiders (send and return) 1 paar of 2 paar,….. Gebruik deze techniek ook voor “flat cables”. return,send,return,send,return,send,return,…. of return,send,send,return,send,send,return Gebruik ook smoorspoelen in een flat kabel aan de bron zijde.

50 Twisted pairs zijn beter dan parallel. (Uitgebalanceerd)

51 Gebruik een kabelafscherming nooit als een “return path” (coaxial cables)
Soorten kabelafscherming: Spiral of longitudinal foil wrap <1 MHz Gevlochten metaaldraad <10 MHz Solid copper screens for high frequencies Besluit : gebruik twisted pair kabels voor signal and return . Indien mogelijk: gebalanceerde overdracht.

52 Wat met connectors? De connectors lijden dezelfde problemen als kabels. Het zijn immers korte stukken in een behuizing. Maak ook een onderscheid in plaatsing tussen “inside” en “outside” coneectors. Unscreened connectors: Zorg ervoor dat elke send pin een return heeft of tenminste één return pin voor twee signalen.

53 Connectors tussen PCB’s:
Zorg voor pin patroon als volgt: 0V,signal,+V,0V,signal ,+V,0V,signal,….. Ofwel, 0V,signal,+V,signal, 0V,signal,+V,signal,…. Gebruik altijd de volledige lengte van de connector !!!!! (Vul desnoods aan met 0V)

54 Screened connectors:

55