Ontwerptechnieken voor EMC

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).
Deel 1
Ontwerpfase en keuze van de komponenten
m.b.t. EMC
1.Digitaal ontwerp.
• Keuze komponenten
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)
•
Criteria
1.
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
GND
GND
Vcc
Vcc
2.
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.
3.
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.
4.
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. OUTen OUT +).Aangeraden als de klokfrequentie boven de 66MHz
komt.
5.
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.
6.
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.
7.
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.
•
Ontwerp-Technieken
1.
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.
2.
3.
4.
5.
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 .
6.
7.
8.
9.
10.
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
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
• 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.
• 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.
• 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.
• 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!!!
• 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.
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 singleended 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
• 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 twistedpairs.
• 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.
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.
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
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.
Design Techniques for EMC
Deel 2
Cables and connectors
• Alle kabels zijn antennes
– Gebruik van het spectrum en interferentie
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 10- 20 …. 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.
Figuur
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 .
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.
– 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.
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 !!!!!!
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.
- 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.
- 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.
- 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)
- Bekabeling
– 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.
Twisted pairs zijn beter dan parallel. (Uitgebalanceerd)
• 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.
• 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.
– 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)
– Screened connectors: