Inleiding EMC stoorbronnen - DARE!! NL · Inleiding EMC stoorbronnen Bij zenders worden steeds...

Inleiding EMC stoorbronnen

This presentation is property of DARE!! International © 1995 - 2017 DARE!! International


Toename EMC storingen

Inleiding EMC stoorbronnenAM detectieFilters en componentenEMC pakkingenPCB routingMetingen op PCB niveauESDEMC in de ontwikkelfaseEmissie bij schakelende voedingenPraktijk problemen

Tijd

Klachten

Enkele voorbeelden:• Airbag elektronica• ABS systemen• Actieve veer systemen• Elektronische snelheidsregelingen• Board computers



• Mobiele telefonie (900 en 1800 MHz)• Portable gebruik GSM in auto• Draadloze netwerken (2.4 GHz en 5 GHz)• Low Power Devices• 27 MHz “boosters”• Digitale audio- en video broadcasting• Sateliet netwerken

Oorzaken toename EMC storingen


• Micro controllers “overal” toegepast• Snelheid van programmeerbare logica• Processor snelheid naar 1 GHz en up• Steeds meer “automatische” meet- en

besturingssystemen

Digitale Modulatie techniek



Bij zenders worden steeds hogere frequenties toegepast omdat defrequentie banden “vol” raken.Bij computer systemen worden steeds snellere systemen met hogerekloksnelheden ontwikkeld.

Toename toegepaste (zend) frequenties


Jaren

1 GHz

20 GHz

40 GHz

80 GHz

160 GHz



Frequentieband indeling


D.C

.1

6 2

/3 H

z5

0 H

z

30

0 k

Hz

L.W. M.W. S.W. V.H.F. U.H.F. E.H.F. S.H.F.

30

0 G

Hz

30

GH

z

3 G

Hz

3 M

Hz

30

MH

z

30

0 M

Hz

30

kH

z

1 m

1 d

m

1 c

m

1 m

m

10

m

10

0 m

1 k

m

10

k m

F.M. broadcast88 - 108 MHz

ISM27 MHz

ISM433 MHz

ISM2.45 GHz

S.W. broadcast

M.W. broadcast

L.W. broadcast

...G.S.M.

900 MHz

G.S.M.1800 MHz

. .

. DECT1600 MHz

Portofoons170 MHz.

Satalite communications10 GHz - 18 GHz

.links

38 GHz

Light



Far field versus Wavelength


0.1 m

1 m

10 m

100 m

1.000 m

100.000 m

10

kH

z

10

0 k

Hz

1 M

Hz

10

MH

z

10

0 M

Hz

1 G

Hz

10

GH

z

10.000 mFar-field

Near-field



Limits for E-field radiation


100 V/ m

1.000 V/m

10.000 V/m

1 H

z

10

Hz

10

0 H

z

1 k

Hz

10

kH

z

100.000 V/ mCENELEC 50166-1

WorkplacePublic area



Limits for H-field radiation


0.1 mT

1 mT

10 mT

1 H

z

10

Hz

10

0 H

z

1 k

Hz

10

kH

z

100 mT

0.01 mT

1.000 mT CENELEC 50166-1

Public area

Workplace



Limits for E-field radiation


10

0 M

Hz

1 V/ m

10 V/m

100 V/m

10.000 V/ m

10

kH

z

10

0 k

Hz

1 M

Hz

10

MH

z

1 G

Hz

10

GH

z

1.000 V/ m

CENELEC 50166-2

Public area

Workplace



IEC-model


Enclosure port

AC-port

Device Under TestDC-port

Signal/control port

Earth port



EMC-niveaus


Ontwerpmarge

Immuniteitsniveau (“slachtoffer”)

Immuniteitslimiet (“norm”)

Emissielimiet (“norm”)

Emissieniveau (“stoorbron”)

Veiligheidsmarge

Ontwerpmarge

AM-detectie


AM-detectie


Geen AM-modulatie

Draaggolf

12 V

6 V

Irf

FM of ongemoduleerd signaal


AM-detectie


1 kHz modulatie

Draaggolf

12 V

Irf

1 kHz modulatie

Amplitude- of pulsgemoduleerd signaal


AM-detectie


Modulatie (212 Hz)

900 MHz draaggolf

t

20 kHz

FZijbanden(212 Hz)

Frequentie conversie

Gewenste signaalband

900 MHz draaggolf

212 Hz “stoor”-signaal


AM-detectie

AM-detectie bij IC’s


1 kHz modulatie

Is1

Is

CPCB

Ck

Amp 1 Amp 2

Draaggolf


AM-detectie

Indien de HF-energie bij de 1e PN-overgang komt, zal detectie

plaatsvinden en is het niet meer mogelijk de beïnvloeding tegen te

gaan.

Methoden om detectie tegen te gaan moeten dus gezocht worden in

het tegenhouden van de HF-energie.

Tegengaan van HF-detectie



AM-detectie

Dit kan gerealiseerd worden door

- Afscherming van de aangesloten kabels

- Afscherming van de behuizing van de versterker

- Common mode filters

Tegengaan van HF-detectie



AM-detectie

De meeste i.c’s hebben op hun ingang een protectie circuit tegen onder en over spanningen. Dit circuit zal, indien er geen filters toegepast worden, AM detectie veroorzaken.

Ingangsprotectiecircuit


Filters en componenten



Doel voedingsontkoppeling: leveren van de piekstromen voor het i.c.

Voedings ontkoppeling

Inleiding EMC stoorbronnenAM detectieFilters en componentenEMC pakkingenPCB routingMetingen op PCB niveauESDEMC in de ontwikkelfaseEmissie bij schakelende voedingenPraktijk problemen Vi

[V]

Icc[mA]

5

4

3

2

1

1 2 3 4 50



Inductie aansluitdraden


Typical 6 nH

Typical 0,3 - 1 nH



Paracitieve effecten




Resonatie van condensatoren


1) Elco 100 µF2) Tantaal 470 nF3) Metaalfilter 100 nF4) Ceramisch 100 nF5) Ceramisch SMD 100 nF



Condensatoren


De ontkoppelcondensator zal samen met de inductieve sporen in resonantie komen bij:C = 100 pF; ± 200 MHzC = 1 nF; ± 75 MHzC = 10 nF; ± 25 MHzC = 100 nF; ± 10 MHz



Ontkoppelcondensatoren


Slechte opstelling van de ontkoppelcondensator.

cBetere opstelling van de ontkoppelcondensator.

c



Het ontkoppelen van de voedingsspanning bij het IC wordt bemoeilijkt door de interne, parasitaire, componenten in het IC.

• Inductie van voedingsspannings-“draden” in IC:

5 - 30 nH

• Capaciteit van de “draden” in het IC (naar de nul):

1,5 - 3 pF

• Weerstand van de “draden” in het IC:

0,1 Ohm

Paricitaire effecten in IC’s




In CMOS IC’s wordt veelvuldig gebruik gemaakt van inverters met het onderstaande schema:

Totempaalcircuits in IC’s


.

.

.

.

Vcc

UitgangIngang



De ingangscapaciteit van CMOS- en TTL-poorten ligt rond de 5 pF. De

uitgangscapaciteit ligt rond de 10 pF.

Logische poorten




Vervangingsschema transmissielijn

Transmissielijntheorie


R’/2 R’/2L’/2 L’/2

C’ G’

Lijn impedantie Zo = jwL’ + R’jwC’ + G’



Eenheden:

• L’ = Karakteristieke inductie per lengte eenheid nH/m

• C’ = Karakteristieke capaciteit per lengte eenheid pF/m

• R’ = Karakteristieke weerstand per lengte eenheid W/m

• G’ = Karakteristieke geleiding per lengte eenheid S/m





Verliesvrije transmissielijn



L’/2 L’/2

C’

Lijnimpedantie, Zo =

Vertragingstijd, t =

L’C’

p L’ * C’



• De snelheid van een golf in een (coax)kabel wordt vertraagd door het dielectricum van het isolatiemateriaal in de betreffende kabel.

• De snelheid van een golf in een (coax)kabel bedraagt ongeveer 200.000 km/s. Dit komt overeen met een vertragingstijd t van 5 ns/m.





Voedingsspanningcircuit


.

.

..

Vcc

IC-behuizing

Lp

Lp

Lp

Rp

Rp

Rp

Cp

Cp

Cp

Uitgang

Ck

Rk

Lk

Ls Rs

Cs2

Cs2

SpoorOntkoppel-condensator



Als het de layout rond de ontkoppelcondensator goed wordt gekozen, is de inductie van dit spoor verwaarloosbaar klein.







.

.

..

Vcc

IC-behuizing

Lp

Lp

Lp

Rp

Rp

Rp

Cp

Cp

Cp

Uitgang

Ck

Rk

Lk

Ontkoppel C

Rs

Ls

Ck

Rk

Lk

Ontkoppel C



• Door een spoel op te nemen in het voedingsspanningcircuit, vlak voor de ontkoppelcondensator, wordt voorkomen dat er hoogfrequentstromen uit de rest van de voeding getrokken wordt.

• Deze spoel kan echter met de ontkoppelcondensatoren voor en achter deze spoel, in parallel resonantie komen, hetgeen verhoogde storingsemissie kan veroorzaken. Om deze reden wordt een 50 tot 100 W weerstand parallel aan de spoel geschakeld. Door deze weerstand wordt de maximale impedantie beperkt.





Voedingsontkoppeling van IC's is noodzakelijk, echter men moet er

zorg voor dragen dat men niet al te grote ontkoppelcondensators

gebruikt.

Hoe hoger de capaciteit, des te groter de parasitaire zelfinductie ook

wordt.

Dit heeft als gevolg dat grote condensatoren een relatief slecht HF-

gedrag vertonen.

Voedingsontkoppeling




Voedingsontkoppeling




Berekenen ontkoppelcondensatoren


C =D(I) dtd(Ve)

Cs d(Vs)d(Ve)x +

Laadstroomingangscapaciteit

Laadstroomuitgangscapaciteit



L-C filters


L

C

X L = 2 π f L X C =

2 π f c

1



Impedantie van stoorbronnen:

ESD: 50 ohm tot 2.000 ohm

EFT: 50 ohm

Stromen t.g.v. HF-velden : 50 - 400 ohm

Surge: ½ - 10 ohm

Filtering: 1 condensator


BuitenwereldEUT

~

Ri Ri

Stoorbron Stoorbron~

Geen filtering voor surgepulsen.Filtering van binnen naar buitenafhankelijk van Ri van EUT-storing



Filtering: RC versus LC


Ri Ri

Stoorbron

~ ~

Ri Ri

Stoorbron

~ ~

- 6 dB/octaaf+ Goedkoop+ Absorptiedemping- Spanningsval

+ 12 dB/octaaf- Duur- Reflectiedemping

(emissie)+ Lage spanningsval- Filterresonantie



Filtering: PI versus T


~ ~

~ ~

Hoog impedant

• Laag impedant

• Koppelweg voor storing gegarandeerd



Directionele filtering


U gewenstf = 10 MHz

Signaalrichting

10x :10

1x (F = 10MHz)

:100 :10

Richting stoorsignaal

Ri

U stoorf = 10 MHz

~ ~



Gebruik CM- en DM-spoelen


Common mode spoel

Icm Idm

Voordeel : Geen verlies weerstand naar nul (aarde): Aardlekschakelaars geen probleem

Nadeel : Duur: Matige filtering

Toepassing : Medische netfilters (Iat < 50 uA): Zeer hoog Ohmige inputs

Differential mode spoel



Uitvoeringen:

- Vonkbruk

- Gasontladingsbuisjes

- Zenerdiode

- VDR

- Transorb/Surge arrestor

Risico

- cop niet lineair device

- Alleen toepassen op voedingslijnen

- Vonkbruggen en gasontladingsbuisjes zijn alleen a-lineair als deze doorslaan

Gebruik niet-lineaire filters




Doorvoer condensatoren




Doorvoer filters




SMD common mode spoel




T-filters




Condensator arrays


Elke lijn wordt voor hoge frequentiesge-bypassed door de condensator naar het chassis

D-connector Keramische array

Keramische condensatortussen 0V en kast GND

Kast GNDKoper niet aan 0V

De condesator wordt geplaatst ter voorkoming van laag frequente GND-loops, terwijl er nog steeds een hoogfrequente ontkoppeling is.



Clamp on ferrieten




Flat cable ferriet




Ferrieten worden gebruikt om stoorsignalen met relatief hoge frequenties te onderdrukken. Het berust op het principe dat bij hoge frequenties de impedantie van de ferriet hoog wordt, derhalve dus ook meer dempt.

Ferrieten


Z s Z f

Z L

De demping of insertion loss = 20 log 10

Zs + ZL + ZfZs + ZL



De impedantie van ferrietmateriaal bij een bepaalde frequentie is sterk

afhankelijk van de soort ferriet (samenstelling).

Derhalve moet men op de hoogte zijn van de te onderdrukken

stoorfrequentie voor een maximaal effect.

Ferrieten




Voorbeeld:

Stel, men wil een 10 dB demping verkrijgen bij een frequenty van 100 MHz. Zs = Zl = 50 W

Ferrieten


20 log Zs + Zl + ZfZs + Zl

10 dB = 20 log 50 + 50 + Zf50 + 50

0,5 = log100 + Zf

100

3,16 = 100 + Zf

100

Zf = 216 Ω



De door de leverancier beschikbaar gestelde datasheets moeten dan

duidelijkheid verschaffen welk ferriet bruikbaar is.

Uiteraard voor de uitvoeringsvorm (PCB-ferriet, ferriet voor kabels)

moet u zelf een keuze maken.

Ferrieten




Voorbeeld: Toepassing ferrieten




Capacitieve overspraak




Transorbs en suppressors


+ 30 V

+ 20 V

+ 12 V

+

-

T.V.S. = Transient Voltage Suppressor



Multilayer VaristorsDeze worden voornamelijk gebruikt om componentente beschermen tegen ESD‘s. Het principe luidt hier:afvloeiing van de stroom door verschillende elektroden.

Transorbs en suppressors


I

I

Symbool



De netfilters hebben ten doel:• Zorg dragen voor de immuniteit van het apparaat• Zorg dragen dat het apparaat niet te veel emissie produceert• Een netfilter kan bestaan uit één enkele condensator of uit een

gecombineerde schakeling van condensatoren en inducties.

Netfilters




Maximaal toegestane lekstroom van Y-condensatoren:

• Draagbare apparatuur : 0,75 mA

• Vaste apparatuur : 3,5 mA

• Medische apparatuur : 0,1 mA

• Patiëntgebonden apparatuur : 50 µA

• Klasse II apparatuur : 0,25 mA (dubbelgeïsoleerd)

Netfilters




Berekenen lekstoom


X c =1

---------------2 π f C

I =U

-----R

lekI = 2 π f C

U ---------------



Maximaal toelaatbare lekstroom:

• Draagbare apparatuur : ± 10 nF

• Vaste apparatuur : ± 50 nF

• Medische apparatuur : ± 1 nF

• Klasse II apparatuur : ± 3 nF

Toegestane lekstroom




Differential modestoringen worden ook wel symmetrische storingen genoemd en zijn storingen welke tussen de fase en de nul optreden.

Differential mode filtering


Fase

Nul

Ground

FilterD.M.IU

D.M.~



Common modestoringen worden ook wel asymmetrische storingen genoemd en treden op tussen fase en nul enerzijds en aarde anderzijds.

Common mode filtering


Fase

Nul

Aarde

Filter

I CM

I CM

ICM

I CM



Bron: Type filter: Slachtoffer:

Hoge impedantie

Lage impedantie

Lage impedantie

Hoge impedantie

Keuze netfilter type




Keuze netfilter type


Bron: Type filter: Slachtoffer:

Lage impedantie

Hoge Impedantie

Lage impedantie

Hoge impedantie



• Filter moet over groot oppervlak goed geleidend aan de kast bevestigd worden.

• Aansluitdraden van de “schone” kant en “vuile” kant mogen absoluut niet parallel lopen!

• Voor filterdemping boven enige MHz kan alleen bereikt worden als de “schone” en “vuile” kant elkaar niet kunnen zien.

Filter monage




Foutive filtermontage


Fase

NulFilter

Kastwand

UcmAarde



Goede filtermontage


Filter

Fase

Nul

Aarde

Kast

Veiligheidsaarding

EMC-aarding



Injectie van storingen


Fase

Nul

Aarde

Filter

Klasse II

apparaat

Parasitaire capacitievekoppeling naar omgeving



• Stoorpulsen op de fase en/of de nul worden via de Y-condensatoren naar aarde afgevoerd.

• Stoorpulsen op de aarde zelf, zullen door dit filter echter juist ingekoppeld worden en via de parasitaire capaciteit van het apparaat met de omgeving naar aarde teruglopen.

Injectie van storingen




Filter met aardspoel


Fase

Nul

Aarde

Klasse IIapparaat



Filter met vier spoelen


Fase

Nul

Aarde

Klasse IIapparaat



Wet van Lentz


A

~

A

EMC pakkingen


EMC pakkingen

Fingerstocks zijn strippen van voornamelijk Berylium koperlegeringen, die in afgeschermde ruimtes maar ook in systeemkasten worden gebruikt, om openingen te voorzien van een goed geleidende afsluiting.

Daar waar de verbinding regelmatig los en vast gemaakt moet worden, zijn fingerstocks te prevaleren boven gaskets.

“Mesh”-gasket worden met name voor permanente verbindingen toegepast.

Rubbergaskets worden toegepast daar waar zowel EMC als waterafdichting gewenst is.

Fingerstocks en gaskets



EMC pakkingen

Fingerstocks


Tijdelijke verbindingen t.b.v. deuren• Compressie 25 tot 50%• Onderhoud vereist


EMC pakkingen

Mesh gaskets


Permanente verbindingen


EMC pakkingen

Waterdichte verbindingen

Rubbergaskets



EMC pakkingen

• Verbetering contact tussen connector en behuizing.

• Alle contactvlakken dienen elektrisch geleiden te zijn (geen ALU oxide of verf!).

Connector gaskets



EMC pakkingen

Voor een goede afscherming (90 dB) is een materiaaldikte van 10 maal de skindiepte aan te bevelen.

Voorbeeld:

Voor koper geldt dat bij een frequentie van 10 kHz 10 maal de

skindiepte overeenkomt met 0,7 mm.

Het Skineffect



EMC pakkingen

• In de praktijk betekent dit dat de materiaaldikte bij de meeste EMC-problemen niet relevant is.

• Alleen bij lage frequenties (f < 100 kHz) moeten wij de materiaaldikte in de gaten houden.

Het Skineffect



EMC pakkingen

Het skineffect


d =2

w * s * µ

De skindiepte is die waarde waarbij de E/M-veldsterkte in het materiaal met 63% is afgenomen (= 9 dB).

W = hoekfrequentie (= 2πf)µ = magnetische permeabiliteits = conductiviteit van materiaal

Skindiepte koper bij 50 Hz : 1 cmSkindiepte koper bij 10 MHz : 20 µm

• Het skineffect

EMC pakkingen

PCB routing


PCB Routing

Ingangsfiltering


Is1

Is

CPCB

Ck

Is2

Us

Amp 1 Amp 2


PCB Routing

Schakeling wordt in geheel “opgetild” t.o.v. de omgeving. Alle electronica blijft onderling op hetzelfde potentiaal.

Ingans- en uitgangsfiltering


Is1

Is

CPCB

Ck

Is2

Us

Amp 1 Amp 2


PCB Routing

Optelling van spanning in nulgeleider bij inputsignaal versterker 2

Oplossing: - Referentievlak (laag impedant)

- Kabels aan 1 kant houden

Slecht referentievlak


Is1

Is

CPCB

Ck

Is2

Amp 1 Amp 2


PCB Routing

Kabels aan 1 zijde PCB


Is

CPCB

Ck

Amp 1 Amp 2


PCB Routing

Door middel van een capacitief scherm wordt de paracitaire capaciteit gebypassed.

Kabels aan 2 zijden PCB


U

U = 0V

Icm

Scherm

Print

Deze methode is alleen geschikt als alle kabels aan 1 kant van de PCB zitten.


PCB Routing

Kabels aan 2 zijden PCB


Us

Icm

Metalen kast ofextra metalen plaat

Ck

CS

CPCB


PCB Routing

• - Grote stromen

• - Gedefinieerde loop van stoorstromen

• - Gewenst als Ri van stoorbron “hoog” Ohmig is (> 50 Ohm) (normaal alle “korte” I/O-kabels)

PI-filtering (laag impedant)


CPCB

Ck

Is


PCB Routing

- Lagere stromen

- Minder goed gedefinieerde loop van de stromen

- Gewenst indien Ri van stoorbron laag Ohmig is

(voedingskabels en lange I/O-kabels)

T-filtering (hoog impedant)


CPCB

Ck

Is


PCB Routing

AM-detectie op ingang 2 van de versterker

Oplossing 1) Verkleinen lusoppervlak (d.m.v. nul langs spoor of d.m.v. referentievlak)

2) Capaciteit over ingang 2e versterker (of LC- c.q. RC- filter)

Directe instraling op PCB


Ck

Cpcb

Is

Oppervlak bepaalt ontvangst antenne


PCB Routing

Alleen scheiden van referentievlakken als galvanische scheiding noodzakelijk is.

Geen sporen over overgangen van referentievlakken laten lopen

Gescheiden referentievlakken


A/D

A/D

A/D

Analog input 1

Analog input 2

Analog input 3 Processor

Processor

Processor

Analog en digital GND aan elkaar


PCB Routing

Bij het ontwerpen van een lay-out zijn de ontwerpen voornamelijk gericht op de keuze van de signaalstromen tussen de componenten. De retourstromen worden “geroot” via toevallige aanwezige printsporen teneinde de stroomkring te sluiten. Dit overlaten aan toevalligheden kan tot problemen leiden.

Het PCB-ontwerp


zender

ontvanger


PCB Routing

Het elektrisch veld is opgesloten tussen de signaalstromen de retourstroom. Hierdoor bereiken we een grote reductie van de opgewekte straling (c.q. een verbetering van de immuniteit)

Het PCB-ontwerp


ontvanger


PCB Routing

Het elektrisch veld is voornamelijk opgesloten tussen de twee geleiders. Derhalve ontstaat minder overspraak naar naastgelegen geleiders. Dit wordt ook wel een parallelle golfgeleider genoemd.

Het PCB-ontwerp


printkaart


PCB Routing

Voor de tweede verbinding moet gebruik gemaakt worden van draadbruggen (bewerkelijke situatie).

Het PCB-ontwerp


ontvanger

zender

ontvanger

zender


PCB Routing

PCB met Referentie vlak


ontvanger

zender

ontvanger

zender


PCB Routing

Gebruikmakend van een referentie vlak, zal de retourstroom de makkelijkste (niet noodzakelijk de kortste) weg terug nemen.

De stroom zal in de lus met de laagste impedantie retour lopen. Dit zal het pad zijn waarmee de kleinste lus oppervlakte wordt omvat. (Het uitgezonden veld wordt immers bepaald door de stroom maal het lus oppervlak).

PCB met referentie vlak


printkaart

printspoor

aardvlak


PCB Routing

Een laag met alleen noord-zuidverbindingen, een laag met alleen oost-westverbindingen en een laag als aardvlak. De retourstroom blijft zo netjes onder de signaalstroom.

Nadeel: De middelste laag is slecht toegankelijk voor reparaties, modificaties etc.

Multilayers (3 laags PCB)


Doormetalisering

Aardvlak

n-z

o-w

Zijaanzicht


PCB Routing

Wanneer het referentie vlak in het midden wordt geplaatst, doet het aardvlak tevens dienst als afscherming voor elektromagnetische velden voor zowel de bovenste als de onderste helft. De retourstroom blijft onder de signaalstroom.

Multilayers (3 laags PCB)


Aardvlak

Zijaanzichtn-z

o-w


PCB Routing

Voedings vlakken


Aardvlak

n-z

o-w

VCC

Zijaanzicht


PCB Routing

Toepassen referentievlak


Stel:

Onderzijde PCB is volledig gesloten GND plane.

Hoe loopt de retour stroom?

Kortste weg (diagonaal door GND plane)

Onder heengaande spoor


PCB Routing

Wanneer de voedingsspanning ook als vlak uitgevoerd wordt, ontstaan er problemen met de retourstromen ter plaatse van de doormetaliseringen.

Het gevolg zal zijn dat de retourstroom via een langer retour pad terug zal lopen.

De stroom kan ter hoogte van de via’s de volgende paden kiezen:

1. Via de dichts bij gelengen ontkoppel condensator

2. Via de “verdeelde” capaciteit tussen plus en min vlak

Voedings vlakken



PCB Routing

• Wordt er nu ter plaatse van de doormetalisering een ontkoppelcondensator tussen VCC en het aardvlak aangebracht, kunnen de signaalstroom en de retourstroom vrijwel dezelfde weg volgen.

• Onderstaande figuur is praktisch echter onuitvoerbaar.

Voedingsvlakken


Aardvlak

n-z

o-w

VCC

Zijaanzicht


PCB Routing

• Bewerkelijke procedure daar elke door-metalisering van een ontkoppelcondensator voorzien moet worden.

Voedingsvlakken


Aardvlak

n-z

o-w

VCC

Zijaanzicht


PCB Routing

• Wanneer het VCC-vlak niet meer als aardvlak fungeert, kunnen de signaalstromen en de retourstromen praktisch dezelfde weg volgen.

• Wordt het VCC-vlak uitgevoerd als een egaal kopervlak, dan kan er een striplinestructuur ontstaan die niet goed functioneert.

Multilayers


Aardvlak

n-z

o-w

VCC

Zijaanzicht


PCB Routing

Een striplinestructuur is een structuur waarbij een geleider is opgesloten tussen twee referentie vlakken. De symmetrie van een striplinestructuur zorgt ervoor dat de retourstromen zowel in het onderste referentie vlak als in het bovenste lopen.

Klokdistributie


Geleider

Aardvlak

ZijaanzichtAardvlak


PCB Routing

Voorbeeld van een striplinestructuur in een multilayer:

Klok distributie


Stripline

Microstrip

Aardvlak

Aardvlak

Zijaanzicht


PCB Routing

Bij toepassingen van meerdere aardvlakken moet men er zorg voor dragen dat de retourstromen dezelfde weg kunnen gaan.

Klok distributie


Aardvlak

Aardvlak

Zijaanzicht Microstrip


PCB Routing

Door de transmissielijn karakteristiek af te sluiten zullen de reflecties onderdrukt worden.

Reflecties


Ontvanger

Zender


PCB Routing

Oorzaak van deze pulsvorming is interferentie van een heengaande golf met een tweemaal vertraagde heengaande golf die gereflecteerd is tegen respectievelijk ontvanger en zender. Bij korte transmissielijnen zijn deze golven in fase met elkaar.

Reflecties


Ontvanger

Zender


PCB Routing

Op onderstaande manier kan de klok over het board verdeeld worden.

Nadelen:

• Looptijd verschillen tussen ontvangers

• Klok lijn kan niet karrakteristiek gehouden worden

Reflecties


Zender OntvangerOntvanger

Ontvanger


PCB Routing

Wanneer timingproblemen kunnen ontstaan, moet elke ontvanger zijn eigen transmissielijn krijgen (die ook nog lopend is afgesloten).

Nadeel:

De klok generator moet een hoge fan out hebben.

Reflecties


Ontvanger

Ontvanger

Ontvanger

Ontvanger

Zender


PCB Routing

Radiated emissie


Bus metkloksignaal


PCB Routing

Radiated emissie


Alleen klok actief

Klok en databus

actief


PCB Routing

Gebruik “spead spectrum” klok



PCB Routing

“spead spectrum” klok: uit



PCB Routing

“Spead spectrum” klok: aan



PCB Routing

• Maximaal toegestane kabellengte: 20 m

• Hogere emissie van HF-signalen

• Hogere gevoeligheid voor externe velden

• Risico van common mode stromen t.g.v. nulgeleider

RS232


I


PCB Routing

• Maximaal toegestane kabellengte: 1,2 km

• Lage emissie van HF-signalen

• Lagere gevoeligheid voor externe velden

• Geen nulgeleider!!

RS 422/RS 485



PCB Routing

• De IIC bus is bedoeld als communicatie bus op de PCB tussen i.c.’s

• Het gebruik van deze bus tussen PCB’s, ook als gaat het slehts om tientallen centimeters, is sterk af te raden.

• De IIC tollereert slechts een zeer kleine capacitieve belasting waardoor het filteren van deze signaal lijnen bijna onmogelijk is.

IIC bus


Metingen op PCB niveau



Om EMC-problemen van printplaten te kunnen oplossen, zijn een aantal methoden onontbeerlijk. Voorbeelden hiervan zijn :

• Current probe voor emissiemetingen

• Current probe voor immuniteitsmetingen

• H- en E-veld probes

• Zelf te maken probes

Sniffer meetmiddelen


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD

EMC in de ontwikkelfase

Emissie bij schakelende voedingen

Praktijk problemen



De current probe kan zowel voor emissie als voor immuniteitsmetingen gebruikt worden.

De spectrum analyzer wordt dan vervangen door een signaalgenerator al dan niet met een RF-versterker.

Current probe


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD



Praktijk problemen



E- en H-veld probeset


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD



Praktijk problemen



E- en H-veld probes


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD



Praktijk problemen



De stroom die door het printspoor loopt, wekt een elektromagnetisch veld op wat door het ferrietmateriaal wordt opgepikt. Het meetspoeltje geeft dit als een spanning weer.

PCB-probe


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD



Praktijk problemenPrintspoor

Meetinstrument



Meetfouten t.g.v. probeclip


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD



Praktijk problemen



• L » 10 nH/cm.

• Een draadje met een lengte van 10 cm heeft een inductie van » 100 nH.

• Bij een frequentie van 200 MHz komt dit overeen met een impedantie van 120 W.

Inductie aardgeleiders


AM detectie


EMC pakkingen

PCB routing


ESD



Praktijk problemen


ESD

Onstaan statische elektriciteit


Materiaal A

Materiaal B

DQ = 0

Materiaal A Materiaal B

DQ =2 * Q

Tribo elektrische ontlading

Scheiden van materialen


ESD

Ontstaan statische elektriciteit


Scheiden van materialen

Materiaal A Materiaal B

-2+3+1

-4+3-1

++ + ++ +


ESD

Het opladen van materialen ontstaat wanneer twee verschillende materialen langs elkaar bewegen.

Bij het wrijven wordt het ene materiaal positief en het andere materiaal negatief geladen.

Dit verschijnsel wordt ook wel “tribo elektrische” oplading genoemd. Het materiaal wat het hoogste in de tribo elektrische reeks staat, zal positief geladen worden, terwijl het andere materiaal negatief geladen zal worden.

Opladen van materialen



ESD

Door wrijving tussen materialen onderling en het scheiden van de materialen, kunnen elektrostatische ladingen ontstaan.

Door het wrijven van de oppervlakten kunnen elektronen van het ene naar het andere oppervlak verplaatsen, met als gevolg een ladingsonbalans tussen de materialen (potentiaal verschil).

Tribo elektrische oplading



ESD

Tribo elektrische eerie


+

-

LuchtAsbestKonijnenbontGlasMicaMensenhaarNylonWolBontLoodZijdeAluminiumPapierKatoenStaalHoutAmber

WasHard rubberNikkel/koperBras/zilverGoud/platinaSulfietAcetaten/rayonPolyesterCelluloidOrlonSaranPolyurethaanPolyethyleenPolypropyleenPVCSiliciumTeflon


ESD

Als een geladen object in de buurt van een niet geladen object komt, kan er elektrostatische lading worden geïnduceerd in het ongeladen object.

Geïnduceerde lading


Q = C * V of U = Q/C


ESD

De capaciteit tussen objecten neemt af als de afstand tussen de objecten toeneemt:



1 pF

100 V

2 pF

50 V

4 pF

25 V

Als de lading constant blijft, zal de spanning dus toenemen als de afstand tussen de objecten groter wordt!


ESD

Hierin is:

er = Relative dielectrische constante

eo = Dielectrische constante in vacuüm

A = Oppervlakte van de platen

d = Afstand tussen de platen

Parallelle plaat condensator


C = er* eo *Ad


ESD




ESD

Ontlading van mensen


+++++Wrijving

U = Z tot 25 kV

300 tot 3.000 Ohm(50 tot 5.000 Ohm worst case)

100 tot 300 pf(80 tot 500 worst case)

Vervangingsschema van een mens


ESD

• Oplading ontstaat bij het lopen over vloerbedekking maar ook reeds bij het zwaaien met de armen.

• Het optillen van een arm geeft een oplading van ~100 Volt.

• Opstaan vanaf een bureaustoel geeft een oplading van ~1.000 Volt!!!

Het opladen van mensen



ESD

• Human Body Model

• Machine Model

Modellen voor simulatie van ESD


1.500 Ohm

100 pF


ESD

• De maximale spanning welke een object kan dragen, hangt af van een aantal zaken. In “worst case”-situaties kan een mens opladen tot 40 kV. Boven de 40 kV zal ontlading plaatsvinden ten gevolge van het “Corona Effect”.

• De energie “sproeit” als het ware weg, onder het uitstralen van een paarse gloed, hoogfrequent energie en de productie van ozon.

• Bij een hoge luchtvochtigheid zal lading eerder kunnen “weglekken” zodat minder hoge spanningen bereikt worden.

Specificaties ESD-puls



ESD

• De capaciteit van mensen varieert ten gevolge van o.a. fysische verschillen. Hierbij speelt het soort schoeisel een grote rol.

• De gemiddelde capaciteit van vrouwen licht hoger dan die van mannen t.g.v. een kleiner voetoppervlak. Hierdoor zullen ontladingen, veroorzaakt door vrouwen, over het algemeen meer energie bevatten dan bij mannen, onder dezelfde omstandigheden.

• De weerstand van de mens wordt met name bepaald door de huidweerstand. Een vochtige huid (zweterig) is vrij laag Ohmig.




ESD

• De piekstroom tijdens een ontlading wordt bepaald door de huidweerstand, waarbij waarden van 100 Ampère (worst case) kunnen optreden.

• De stijgtijden van een ESD-ontlading variëren tussen de 0,5 ns en 50 ns met een duur van een paar honderd nanoseconden.

• De stijgtijd van een luchtontlading hangt o.a. af van de vorm van de ontlaadtip, de luchtvochtigheid, de luchtdruk en de snelheid van het naderen tot het ontladingsobject.




ESD

• Het menselijk lichaam kan worden opgeladen tot ~ 25 kV (in extreme situaties ~ 40 kV).

• De maximale lading bedraagt ~ 5 micro coulomb.

• Als wij uitgaan van een mens met een capaciteit van 200 pF welke een lading draagt van 2 micro coulomb, zal deze spanning ongeveer 10.000 Volt dragen (V=Q/C)

• Bij de ontlading zal een energie van W = 1/2 C.V = 1 milli Joule vrijkomen. Met een ontlaadstroom van tussen de 6 en 67 Ampère.

Enkele praktijkgetallen



ESD

Geladen persoon naar geaard systeem

Diverse type ontladingen



ESD

Geladen persoon naar niet geaard systeem




ESD

Geladen persoon nar niet geladen auto.




ESD

• Bij een ESD-ontlading is er sprake van een vijftal verschillende effecten welke elk op hun eigen manier elektronische apparatuur kunnen verstoren.

• Bij het simuleren van ESD-ontladingen is het van belang goed op de hoogte te zijn van de diverse effecten, zodat een zo realistisch mogelijk beeld over het ESD-gedrag van de te testen apparatuur verkregen wordt.

ESD-optredende effecten



ESD

• RFI-storing t.g.v. corona-ontladingen voordat de ontlading plaatsvindt (spetteren).

• Elektrisch veld, opgewekt voordat de ontlading plaatsvindt.

• Elektrisch veld, opgewekt tijdens de ontlading.

• Magnetisch veld, opgewekt tijdens de ontlading.

• Stroominjectie, ten gevolge van de ontlading.

Effecten bij een luchtontlading



ESD

ESD-gevoeligheid componenten



ESD

1. Dielectrische doorslag -Spanningsafhankelijk

2. Thermische doorslag -Energieafhankelijk

3. Latente storingen -Afname MTBF

4. Degradatie van specificaties -Afname kwaliteit-Afname MTBF

Storingsmechanismen



ESD

Foto ESD-schade


ESD-schade

Bond wire


ESD

Foto ESD-schade



ESD

Foto ESD Schade



ESD

• Contact mode ontladingen

• Luchtontladingen

Typen ESD-ontladingen



ESD

• Meting met behulp van elektrostatisch ladingsmeter

• Meting van pulsvorm tijdens ontlading

ESD Meetmethoden



ESD

Alle kabel in- en uitgangen dienen voorzien te zijn van filters en/of afgeschermde kabels.

De lucht- en kruipwegen bij alle gaten, schakelaars, indicators, displays etc. moeten voldoende lang zijn (1mm/kV).

Gebruik indien nodig:

• Folie voor LCD-displays

• Toets knoppen met “hoed”

Kastopbouw


Kast

Toets



• Wanneer een bestaand product niet voldoet aan de EMC-norm en derhalve gemodificeerd moet worden om te voldoen, zal dit een kostbare aangelegenheid zijn.

• Wordt er in het ontwerpstadium al rekening gehouden met EMC-invloeden dan zullen deze kosten vrijwel altijd laag zijn.


Wanneer gaan nadenken over EMC?



• Modulair systeem?

• Welke logica op dezelfde PCB

• Keuze communicatie bus(sen)

• Behuizing en aansluitkabels

• Indeling en interne bedrading

• Gebruikte componenten

• Het printkaartontwerp


Primaire design keuzen



Order grootte:

2 à 3 dB tot 20 dB afhankelijk van kwaliteit design

Oorzaken:

• Kabelrouting (kabelbomen/flat cables)

• Second source suppliers

• Spreiding in componenten (batches)

• Software (vastleggen S.W.-versie)

• Printmateriaal

• Behuizing (kwaliteit van de afscherming)

Product spreiding




Afscherming: • Duur• Moeilijk goed uit te voeren• Kans op fouten (1- of 2-zijdig afmonteren, aardlussen)• Wel toepasbaar als f-gewenst en f-stoor gelijk zijn

Filtering:• Goedkoop• Op PCB aan te brengen• Geen kans op fouten• Niet toepasbaar als f-gewenst en f-stoor gelijk zijn

Afscherming versus filtering




De immuniteit kan verhoogd worden door:

• ESD-”veilige” (beveiligde) componenten

• Filters voor I/O-lijnen

• Alle niet gebruikte in- en uitgangen van de gebruikte IC's te definiëren

• Maatregelen te nemen tegen HF-detectie

Gebruikte componenten




Basisregels voor een goede EMC design:

• Pas een “referentie vlak” toe (indien mogelijk)

• Gebruik geen “plus vlak”

• Ontkoppel elk i.c. met de juiste ontkoppel condensator

• Gebruik “snubbers” bij snelle i.c.’s

• Houd alle kabels aan 1 kant van de PCB

• Filter alle in en uitgangen direct waar ze de print opkomen

EMC PCB design, hardware




Basisregels voor het verbeteren van het EMC gedrag d.m.v. software: Immuniteit:• “Anti-dender” van ingangssignalen• Hoe check sums bij om geheugen corruptie te detecteren• Controleer bij reset op “EMC” reset

Emissie:• Schakel uitgangen na elkaar• Maak gebruik van “spread spectrum technieken• Maak gebruik van zo laag mogelijke keyboard scan rates

EMC PCB design, software




Kosten van EMC fouten


Tijd

Kostent.b.v.EMC

Ontwerp fase proto fase Nul serie Productie fase

2 - 4 %

Pre- compliance testen Full compliance testen



Opleidingen- Regelgeving en normen- PCB ontwerp- Aarding en afscherming- Automotive design’s- Electrische veiligheid

Advies- Systeem- ontwerp- Schema- beoordeling- Layout- beoordeling

Hoe kan DARE!! u helpen?




Onderzoeksmetingen- Rent a lab- Quick scan metingen- Geaccrediteerde metingen en certificeringen

Lab inrichting- EMC apparatuur- EMC (automatiserings) software- EMC project mangement

Kalibratie- Geaccrediteerde kalibraties van DC tot 40 GHz

Hoe kan DARE!! u helpen?




a

Rent a lab --- (www.rentalab.nl) ---


http://www.rentalab.nl/


Any questions??

[email protected]



Conducted emissie




Conducted emissie


T.g.v. ladingopslag in dediode, zal deze kortstondignegatief geleiden.



Conventioneel uitgangsfilter


Spanningsvormen doorgelijk richten veroorzakencommon modestoringen!



Verbeterd uitgangsfilter


De spoel in de nul geleider zorgt ervoor dat de spanningsvormen sinusvormig blijven.



Ground coupling


dV

dtV

s= 20 m

I CdV

dt=

Stel:C = 15 pF

I = 0,3 mA



Transformator resonantie


M.b.v een snubber kan de“ringing” worden beperkt.



Frequentie versus tijdsdomein


Tijdsdomein (Scoopbeeld)

Sinusvorm

Geen sinusmaar periodiek

Naaldpuls

Eenmalige puls

Frequentiedomein (spectrum analyzerbeeld)



Gevolgen van snelle stijgtijd


Frequentie

pulsebreedte

r rijstijd

f down tijd

T periode tijd



RC-snubber


pulsebreedte

r rijstijd

f down tijd

T periode tijd

De stijgtijd moet geminimaliseerd worden om vermogensverlies tegen te gaan.

Praktijk problemen


Praktijk problemen

Storingen aan PT100 temperatuuropnemer

In een chemische fabriek wordt de temperatuur van een ketel door middel van een viertal PT100 elementen gemeten. Aan de bovenzijde van de ketel staan een 6-tal gasbranders opgesteld om het product te verwarmen. Een besturings-PLC wordt gebruikt om de temperatuur van het product te meten (via de PT100's) en de branders te sturen, zodat het product op een constante temperatuur gehouden kan worden.

Voorbeeld 1



Praktijk problemen

Voorbeeld 1 – De opstelling


PLC-kast

Branders

KetelPT100

elementen


Praktijk problemen

Gezien de inhoud van de ketel en de warmte capaciteit van ketel en product kan de temperatuur nooit sneller afnemen dan 2ºC per 5 minuten.

De print-outs van het PLC-systeem geven soms echter temperatuurdalingen van 5 tot 10ºC per 5 minuten aan.

Aangezien dit praktisch onmogelijk is, wordt hier gedacht aan externe stoorbronnen welke de PT100 signalen verstoren.

Voorbeeld 1 - Klachtomschrijving



Praktijk problemen

Uitgevoerde metingen

• Mains analyse (50Hz - 2kHz)

• Stroommetingen op PT100 kabels (2kHz - 30MHz)

• Magnetische veldmeting (10 KHz - 30 MHz)

• Elektrische veldmeting (30 - 200 MHz)

Voorbeeld 1 – Lokaliseren bron



Praktijk problemen

De common mode stromen gemeten op de PT100 kabels blijken ook afkomstig van de elektronische ontstekers.

Alhoewel de PT100 kabels afgeschermd zijn, zal t.g.v. een slechte afmontage van het scherm toch een grote inkoppeling op de binnenaders plaatsvinden (hoge transferimpedantie).

Voorbeeld 1 - Conclusies



Praktijk problemen

1. Afschermen van de bobinekabels.

2. Verplaatsen van de hoogspanningsunit tot vlakbij de branders.

3. Beter afmonteren van de afgeschermde PT100 kabels.

Voorbeeld 1 - Oplossingen



Praktijk problemen

EMC-problemen bij een EMC-testopstelling

In een kooi van Faraday wordt een bepaalde EMC-meting verricht. In een aangrenzende kooi staat de meetapparatuur opgesteld. De benodigde verbindingen worden via een interfacepaneel gerealiseerd. De meetapparatuur is in staat om zeer lage spanningsniveaus te lokaliseren.

Voorbeeld 2



Praktijk problemen



Spectrumanalyser

Turntable Antenna


Praktijk problemen

Bij het leunen tegen een wand in de kooi van Faraday waar de meetapparatuur staat opgesteld of bij aanraking van de wand respectievelijk slaan op de wand geeft een verstoring van de meetresultaten (“spikes”). Het op elkaar slaan van twee schroevendraaiers veroorzaakte gelijkwaardige “spikes”.




Praktijk problemen

In eerste instantie werd er vanuit gegaan dat de beweging in de ruimte met meetapparatuur een mechanische beweging in de meetruimte veroorzaakte. Hierbij werd gedacht aan:

• slechte elektra aansluitingen (vonkvorming)

• loszittende mechanische delen van de kooi van Faraday

Er werden geen verontrustende zaken gevonden en derhalve konden er ook geen verbeteringen gerealiseerd worden.




Praktijk problemen

Gedurende een meting veroorzaakte een elektrostatische ontlading in de meetruimte ook een “spike”. Met behulp van een ESD-generator werden vervolgens elektrostatische ontladingen op de kooiwand geïnjecteerd. Dit had dezelfde soort beïnvloeding tot gevolg.

Er werden slechts ontladingen van 500 V aangeboden.

ESD-ontladingen onder de 3 kV worden door mensen niet eens waargenomen.




Praktijk problemen

Voorbeeld 2 - Oorzaak


De gevoeligheid van het meetsysteem is =>

Het stoorsignaal vande ESD is 500 V =>

0dBmV

174 dBmV

174 dB verschil

20 log (500/1.10-6).


Praktijk problemen

De ESD wordt nu via de wand ingekoppeld op de afscherming van de kabel van het interfacepaneel naar het meetsysteem.

Zoals berekend zou deze een demping van 173 dB moeten hebben. Dit is niet het geval: de kabel dempt ongeveer 100 - 120 dB.

De gevoeligheid van het meetsysteem draagt ook bij aan dit probleem.

Voorbeeld 2 - Oorzaak



Praktijk problemen

1. Terugbrengen van de gevoeligheid van het meetsysteem

2. Verhogen van de luchtvochtigheid ( 60%)

3. Kabel toepassen met grotere demping

4. Het plaatsen van ferrieten om de kabel




Praktijk problemen

ESD-problemen aan automatische testbank

Voor het testen van printen aan het einde van een productiestraat wordt gebruik gemaakt van een pc met I/O-kaarten en een testblok waarin de te testen printen gestoken moeten worden.

De I/O-boards bevinden zich deels in de pc en deels (via een flat cable) buiten de pc.

Voorbeeld 3



Praktijk problemen



I/O-board

Flat cable

Analog line

Test “jig”


Praktijk problemen

Zeer regelmatig “hangt” de besturingscomputer.

Tevens komt het regelmatig voor dat de pc volledig reboot.




Praktijk problemen

Bestudering van de tekeningen en de installatie zelf laten zien dat de I/O-boards voor alle digitale I/O-signalen optische isolatoren gebruiken. De opto-couplers bevinden zich echter vanwege ruimtegebrek op de printen buiten de pc. De I/O-boards zijn via een 1m lange flat cable met de pc verbonden. De analoge signalen blijken totaal niet galvanisch gescheiden te worden en lopen vanaf het testblok direct de pc in.

Voorbeeld 3 - Onderzoek



Praktijk problemen

Met behulp van een ESD-generator zijn ontladingen op het frame van de tafel uitgevoerd.

Met behulp van een “Verticaal Coupling Plane” (V.C.P.) is de gevoeligheid voor inkoppeling op de flat cable getest.

Voorbeeld 3 - Metingen



Praktijk problemen

ESD-ontladingen op het tafelframe veroorzaken reboots van de pc bij waarden van ± 1 kV.

ESD-ontladingen via het V.C.P. in de buurt van de flat cable veroorzaken reboots bij een niveau van ± 500 V !!!

Voorbeeld 3 - Meetresultaten



Praktijk problemen

De totale installatie is zeer gevoelig voor ESD-ontladingen.

Galvanische scheiding heeft alleen zin als alle I/O gescheiden wordt (ook analoge kanalen!). Ook opto-couplers hebben capacitieve overspraak (± 0,5 pF per overgang => bij 24 I/O lijnen dus ± 12 pF).

De “schone” kant van de opto-couplers loopt ± 1m over een flat cableen is dus een prachtige antenne.




Praktijk problemen

• De flat cable moet vervangen worden door een flat cable met afscherming.

• De kabel tussen het testblok en de digitale I/O-kaart moet voorzien worden van ferrietkralen.

• De kabel tussen het testblok en de analoge I/O-kaart moet voorzien worden van ferrietkralen.

• De pc, kast met I/O-kaarten en het testblok moeten m.b.v. een brede metalen strip met elkaar verbonden worden.




Praktijk problemen

EMC-probleem t.g.v. elektrostatisch luchtfilter

Een luchtverversingssysteem maakt gebruik van een stoffilterunit om rookdeeltjes uit de lucht te verwijderen.

In hetzelfde gebouw wordt een RS 232-verbinding gebruikt tussen twee pc’s.

Voorbeeld 4



Praktijk problemen



RS 232


Praktijk problemen

Regelmatig blijkt een van de computers te “hangen” en/of te resetten. Het vermoeden bestaat dat het stoffilter de bron van de storingen is.




Praktijk problemen

• HF-veldsterktemeting

• Common mode stroommeting op RS 232-kabel




Praktijk problemen

Het stoffilter blijkt te werken met een aantal roosters waartussen een spanningsverschil van ~ 30 kV staat.

Stofdeeltjes welke tussen de roosters worden doorgeblazen, zullen door de roosters aangetrokken worden.

Als er echter te grote stofdeeltjes door het filter geblazen worden, bestaat de kans dat er doorslag tussen de roosters plaatsvindt.




Praktijk problemen

• Uit de metingen blijkt dat er tijdens de “doorslag” in het filter sterke HF-velden worden opgewekt.

• Het stoorfenomeen is te vergelijken met ESD-ontladingen van 30 kV.

• De RS 232-kabel pikt de HF-velden op.




Praktijk problemen

• Afschermen van het gehele luchtfilter (en het filteren van de 220 V voedingsspanning).

• Afschermen van de RS 232-lijn.

• Vervangen van de RS 232 door een fiber optic verbinding.




Praktijk problemen

Storingen aan bedieningspaneel

Een volledig geautomatiseerd meetsysteem wordt gestuurd vanuit een pc. De software is in staat om een volledig meetproces te volgen. Tevens bestaat de mogelijkheid om het proces te beïnvloeden.

Dit besturingspaneel geeft tevens een aantal indicaties weer.

Voorbeeld 5



Praktijk problemen



Bureautafel

Besturingspaneel

Parallelle interfacekabel(afgeschermd)


Praktijk problemen

Het automatische meetsysteem werkte naar behoren, echter op willekeurige dagen kwam de indicatie van het besturingspaneel voor wat betreft de stand van het proces, niet meer overeen met de werkelijkheid. Het was zelfs zo dat de indicatie (LED-display) aan het knipperen was en een complete randominformatie weergaf. Het automatische meetsysteem werd door meerdere mensen gebruikt (circa 5 personen), slechts 2 mensen hadden deze fout geconstateerd.




Praktijk problemen

Het zwaartepunt werd in eerste instantie gelegd op de software die verantwoordelijk is voor de aansluiting voor de aansturing van de systemen maar ook voor de indicatie op het controlepaneel.

Tijdens dit onderzoek kwam naar voren dat er vrij veel elektrostatische ontladingen waren in de ruimte waar de besturingscomputer stond.




Praktijk problemen

De volgende stap was om met behulp van een ESD-generator elektrostatische ontladingen op te wekken, met als doel het eerder geconstateerde probleem te simuleren.

Na onderzoek bleek dat bij de luchtontladingen van 3 kV op de bevestigingsschroefjes van het bedieningspaneel dezelfde fout naar voren kwam. Hetzelfde gebeurde bij luchtontladingen op het metalen frame van de bureautafel.




Praktijk problemen

De enige manier om de indicatie weer te laten functioneren, is de pc te “re-booten”

De aansturing van de indicatoren op het besturingspaneel wordt verzorgd door een aantal IC's op het I/O-board in de pc. Komt er nu een elektrostatische ontlading dan wordt het controleregister gereset. Dit controleregister bepaalt welke poort als input of output gezien moet worden.

Voorbeeld 5 - Klachtomschrijvingen



Praktijk problemen

De ESD-ontlading beïnvloedt direct de elektronica in het besturingspaneel. Het HF-veld, opgewekt door de ontlading, wordt door de kabel opgepikt en de besturingscomputer ingeleid en beïnvloed dan het I/O-board.




Praktijk problemen

De defaultwaarde van dit controleregister was niet in overeenstemming met de waarde voor de correcte weergave van de indicatoren vandaar de randominformatie.

Het feit dat er “veel” elektrostatische ontladingen plaatsvonden, was te wijten aan de relatieve lage vochtigheid -< ± 30%.

Voorbeeld 5 - Conclusie



Praktijk problemen

Een schakelende voeding wordt gebruikt voor het aansturen van een Ohmse belasting. De voeding en belasting zijn op enige centimeters vanaf elkaar opgesteld.



BelastingFilter LogicaFaseNul

Aarde

Voeding

+ 12V


Praktijk problemen

Op een aantal locaties blijkt de netspannings- zekering van de schakelende voeding er zeer regelmatig uit te vliegen. Als de zekering vervangen wordt, blijkt de voeding weer zonder problemen te werken.




Praktijk problemen

De leverancier

Volgens de leverancier van de voedingen zal het regelcircuit van de voeding “op tilt” gaan door een (EMC-)storing van buitenaf, waardoor de voeding een veel te hoge piekstroom trekt en de zekering defect gaat.

De voedingsunit blijkt ongevoelig te zijn voor HF-velden tot 20 V/m.

EFT-storingen tot 4 kV en ESD-ontladingen tot 15 kV. Bij de surgetestenblijkt de zekering defect te raken bij een surgespanning van 3 kV.




Praktijk problemen

Oplossingen?




Praktijk problemen

Storingen aan motorsturing

Een drie fasen motorbesturing wordt gebruikt om een motor aan te sturen. Deze motor is voorzien van pulse-encoders die benodigd zijn voor de positiebepaling.

De motorbesturing is opgebouwd rond een microprocessor die voor een nauwkeurige acceleratie, snelheidsregeling en de-acceleratie kan zorgen.

Voorbeeld 7



Praktijk problemen



FaseNulAarde

Motor

Motorbesturing3 fasen2 pulsgever signalenµ


Praktijk problemen

T.g.v. het genereren van EFT-signalen op zowel de fase als de nul, komt het besturingsproces in een foutconditie met als gevolg dat de motorbeweging wordt onderbroken.




Praktijk problemen

Met behulp van een EFT-generator zijn snelle transients op de “mains”-kabels gezet.

Meetresultaten

De motorbesturing kwam in een foutconditie zodra er EFT's van ca. 400 V werden aangeboden. Plaatsing van een netfilter bracht geen noemenswaardige verbetering. Er traden steeds andere fouten op, zelfs re-boots van de processor.




Praktijk problemen

Bestudering van de tekeningen en de componentenopstelling laten zien dat voor alle I/O-signalen optische isolatoren gebruikt worden.

De opbouw ziet er als volgt uit:



230 VAC

Motor

Pulsgevers

processor DriverI/O

Trafo TrafoTrafo


Praktijk problemen

Bij verdere bestudering kwam aan het licht dat de voeding van de pulsgevers direct van dezelfde voeding kwam als die van de processor en dat de pulsgeversignalen rechtstreeks de processor ingaan.

Vervolgens werden de metingen herhaald met respectievelijk:

1. alleen de pulsgever aangesloten

2. alleen de drie fasen van de motor aangesloten.




Praktijk problemen

Het resultaat was dat bij:

1. EFT-transients van 400 V nog steeds beïnvloeding veroorzaakten.

2. EFT-transients van 1200 V beïnvloeding veroorzaakten.




Praktijk problemen

De voeding voor pulsgevers van de motor dient niet dezelfde te zijn als bij de voeding voor de processor.

De pulsgeversignalen dienen door middel van opto-couplers op de processor aangesloten te worden.

De capacitieve koppeling tussen het amplifiergedeelte en de rest van de motorbesturing verkleinen door het toepassen van opto-couplers met een zo laag mogelijke capacitieve koppeling.




Praktijk problemen

Storingen aan inbraakalarmcentrale

Een inbraakalarmcentrale is voorzien van een los bedieningspaneel welke bij de ingang wordt opgehangen voor het invoeren van de code.

De centrale zelf is 230 V gevoed en voorzien van een telefoonkiezer om de inbraakmeldingen door te bellen.

Voorbeeld 8



Praktijk problemen



Processor-board

Telefoon-kiezer

Trafo

Telefoon-lijn

Alarm-ingangen

FaseNulAarde

1 2 3

4 5 6

7 8 9


Praktijk problemen

De alarmcentrale geeft regelmatig valse alarmmeldingen. Het komt hierbij regelmatig voor dat er meldingen van groepen komen welke niet zijn aangesloten. Om deze reden wordt de oorzaak gezocht in EMC-problemen (en niet in slechte opnemers).

Door de leverancier zijn reeds filters gemonteerd op alle I/O-lijnen van het bord, echter zonder resultaat.




Praktijk problemen

De door de leverancier geplaatste filters zijn direct op de aansluitingen van de print gemonteerd.

De print is slechts via 1 metalen afstandsbus aan de kast geaard.

De randaarde is op het punt waar de spanning de kast binnenkomt, met de kast verbonden.




Praktijk problemen

• EFT-testen op de I/O-kabels (capacitief gekoppeld).

• EFT-testen op de netspanning.

• ESD-testen op de kast van de centrale en op het bedieningspaneel.

• Surgetesten op de 230 V voeding.




Praktijk problemen

• EFT-bursts van 500 V op de I/O-kabels veroorzaken valse alarmmeldingen zoals in de praktijk voorkomen.

• EFT-bursts op de netspanning veroorzaken bij 750 V valse alarmmeldingen.

• De ESD-testen veroorzaken geen valse alarmmeldingen.

• Ook de surgetesten veroorzaken geen valse alarmen.

Voorbeeld 8 - Meetresultaten



Praktijk problemen

De EFT-signalen (met hun brede frequentiespectrum) zullen weliswaar door de filters op het I/O-bord worden onderdrukt, maar de stroompuls zal via de nul over het gehele bord naar de metalen afstandsbus lopen om naar aarde af te vloeien.




Praktijk problemen

De stroompiek door de nulsporen zal twee effecten teweegbrengen:

1. Spanningsverschil tussen aardpunten op het P.C.B. (t.g.v. de inductie van de printsporen).

2. Inkoppeling op andere printsporen (vanaf de nulsporen).




Praktijk problemen

1. Verplaatsen van de filters vanaf het PCB naar de plaats waar de kabels de kast inkomen.

2. Alle afstandsbussen van metaal maken.

3. Multilayer print met ground plane gebruiken en ground plane via metalen afstandsbussen aan kast verbinden.




Praktijk problemen

Voordelen:

Eenvoudig te realiseren

Goede resultaten haalbaar

Nadelen:

Extra filter boards benodigd

Voorbeeld 8 – Oplossing 1



Praktijk problemen

Voordelen:

Eenvoudig te realiseren

Nadelen:

Effectiviteit beperkt en afhankelijk van PCB-ontwerp




Praktijk problemen

Voordelen:

Zeer effectief

PCB-board is “intrinsiek” EMC-robuust

Nadelen:

Duur



Inleiding EMC stoorbronnen - DARE!! NL · Inleiding EMC stoorbronnen Bij zenders worden steeds...

Documents

Transcript of Inleiding EMC stoorbronnen - DARE!! NL · Inleiding EMC stoorbronnen Bij zenders worden steeds...