EMC-avsnitt i Systemkonstruktion för Em3 99:HT2

Transkript

1 EMC-avsnitt i Systemkonstruktion för Em3 99:HT2 Inledning EMC-regelverket db-begreppet, strålning Strålning, närfält och fjärrfält Emission. Differential and Common mode. Induktans och kapacitans Kretskort och EMC. Ömsesidig induktans, image planes Jordning Skärmning. Elektrisk- och magnetisk skärmning. Filter Signalöverföring

2

3

4 Mängden av alla elektromagnetiska fenomen existerande i en given volym. Elektromagnetiskt fenomen, vilket orsakar oacceptabel funktions- eller prestandaförsämring i komponent, apparat, utrustnig eller system. Funktions- eller prestandaförsämring av komponent, appparat, utrustning eller system orsakad av elektromagnetiskt fenomen. Koniponents, apparats, utrustnings eller systerns förmåga att fungera tillfredställande i dess elektrom,3gnetiska miljö utan att oacceptabelt påverka annan utrustning. En störningskälla avger ett elektromagnetiskt fenomen, vilket kan orsaka störning i ett störningsoffer. En störningskälla avger störningsernission. Ett störningsoffer besitter en viss tålighet mot störning

5

6

7 EMC-gapet Störningsnivåerna ökar och tåligheten minskar => gapet minskar => regler krävs. EU ger direktiv till gemensam lagstiftning i syfte att förhindra nationella regler, vilka skulle kunna utgöra handelshinder. EMC-direktivet 89/336/EEC.

8 CE-märkning avseende på EMC FMC-direktivet /EEC har omsatts i nationella lagar inom EU och EFTA som innebär att sedan 1 januari 1996 får alla apparater som säljs inte förorsaka radiostörningar och måste ha en rimlig tålighet mot elektriska störningar. Som bevis på att detta gäller skall apparaten vara försedd med ett så kallat CE-märke. Dessutom skall tillverkaren ha skrivit en deklaration om överensstämmelse som skall finnas tillgänglig för myndighetskontroll. Den skall alltså inte utan uppmaning lämnas in eller registreras. Till deklarationen bör dessutom finnas dokumenterat hur kraven uppfylls. De tekniska kraven i lagstiftningen är inte mer specifika än som nämnts ovan. I stället beskrivs de i ett antal standarden som finns officiellt listade eller är under utarbetande. Att välja rätt standard kräver för närvarande god kontakt med det pågående standardiseringsarbetet. Standarderna ställer ofta ganska höga krav på mätplatser och instrumentering. Inledande prov kan göras förenklade. Egen utrustning kan här vara ett bra hjälpmedel men de flesta kvalificerade laboratorier har ofla förenklade förfaranden att tillgå. Slutliga provningar bör utföras på ett laboratorium som är ackrediterat. Det är en fördel att använda samma laboratorium för inledande prov och som slutprov. Man får då en korrekt bedömning av de förenklade proven - om de har tillräcklig marginal för att uppväga den större felmarginalen etc. Används annan utrustning eller andra provningsmetoder kan det vara mycket svårt att jämföra resultaten och obehagliga överraskningar kan dyka upp vid slutprov. Det kan ibland saknas standarden eller vara opraktiskt att tillämpa dem. T.ex. för en apparat som byggs i el] mängd likartade men inte helt lika utförande kan del vara orimligt att prova alla varianter. En större maskin kanske bara innehåller någon liten elektronikmodul för t ex temperaturövervakning osv. I dessa fall finns en annan möjlighet - granskning av ett behörigt organ. Ett behörigt organ har officiellt godkännande att hantera EMC-utredningar. I allmänhet är det ett ackrediterat, dvs kvalitetskontrollerat, provningslaboratorium. Det behöriga organet intygar att apparaten bedöms uppfylla direktivets krav. Bakgrundsmaterialet avgör tillverkaren tillsammans med det behöriga organet. Det kan t.ex. vara provningar utförda enligt andra metoder än standard eller rena konstruktionsgranskningar. På det här sättet garanteras att provningskostnaderna inte behöver bli orimliga. Källa: SP

9 EMC-direktivet säger att alla apparater skall uppfylla de allmänna kraven. Från början har det sagts komponenter inte omfattas och alltså inte behöver inte provas eller deklareras. Problemet som kvarstår är definitionen av komponent. Kommissionen har gett ut en skrift som är till viss hjälp: Guidelines on the Application of Council Directive 89/336/EEC. Här konstateras att kretskort ibland säljs direkt till slutanvändare, typexempel är PC-kort. Sådana komplexa komponenter skall behandlas som apparater. Komponenter av typ motstånd, transistorer och IC-kretsar omfattas däremot fortfarande inte av direktivet. Två saker kännetecknar en komponent som omfattas av direktivet: Direkt funktion. Begreppet är naturligtvis inte glasklart men innebär att komponenten tillför en egen funktion direkt för slutanvändaren och att komponenten kan installeras och ställas in utan att användaren behöver vara medveten om EMC-konsekvenserna. Ex: PC-kort och nätaggregat. Tillgänglig på marknaden. Det andra villkoret är att komponten finns allmänt tillgänglig för slutanvändare. Ett PC-kort som enbart säljs till appartbyggare behöver därmed inte CE-märkas medan det som säljs i datorbutiken måste vara CE-märkt. Ett system är en samling apparater som marknadsförs som en enhet för ett speciellt användnings-område. Ett typiskt system är enligt ovanstående Guidelines en PC bestående av skärm, CPU-låda, tangentbord och printer konstruerade av samma tillverkare och avsedda att arbeta tillsammans. Själva CPU-lådan betraktas däremot som en apparat. Systemet skall i första hand CE-märkas som en enhet med det är också tillåtet och oftast mera praktiskt att tillämpa ett modulärt synsätt. Detta innebär att systemets delar är avsedda att arbeta i ett system men systemets uppbyggnad varierar från fall till fall. De ingående delarna kan då CE-märkas var för sig. Ett typexempel då detta förfarande kan användas är just en PC. Resonemanget kan inte tillämpas direkt för s.k. apparat- eller automatikskåp men i stället kan den harmoniserade standarden EN /A11 användas vilket ger samma effekt. Om systemet innehåller delar där det saknas information om EMC behöver en undersökning genomföras. Ett alternativ är att utföra en provning på den konfiguration av systemet som tillverkaren bedömer ha sämst EMC-egenskaper. Dokumentation från den provningen kan sedan användas för alla andra varianter av systemet.

10 Kravet på dokumentation av EMC-egenskaper har minskat efterhand och i allmänhet finns endast kravet på en deklaration om överensstämmelse. I det fall då en TCF har tillämpats föreskriver dock direktivet att en dokumentation skall finnas tillgänglig för myndigheten. Den skall vara skriven på ett EU-språk (t.ex. svenska) men vissa dokument måste också finnas tillgängliga på det lands språk dit apparaten säljs, detta gäller speciellt deklarationen. I Sverige accepteras dock både svenska och engelska. Dokumentationen kan delas upp i två delar. A-delen är en allmän beskrivning av apparaten och det som gjorts för att säkerställa EMC. B-delen är en detaljerad dokumentation som beskriver produkten i alla dess detaljer. A-delen hålls lämpligen samlad och lätt tillgänglig. B- delen kan bestå av en förteckning av var de ingående dokumenten finns att hämta. Identifiering av produkt och tillverkare Tillverkardeklaration EMC Beskrivning av produkten Allmän beskrivning, produktblad, bruksanvisning etc Sammanfattande teknisk information Allmänna specifikationer inkluderande EMC-specifikation med angivande av användningsområde, -miljö och eventuella andra för specifikationen relevanta data. Undersökningar och testresultat Uppräkning av harmoniserade standarder som tillämpats, sammanfattande rapport eller certifikat från behörigt organ, referenser till provningsrapporter. Tillverkningsdokument Funktionsbeskrivning Tekniska specifikationer Tillverkningsprocess Provningsrapporter Ritningar, komponentlistor, programlistor o.dyl. Detaljerade tekniska specifikationer Kvalitetsrelaterade dokument Rapporter från eget eller externt provningslaboratorium

11 Gå in på SP s hemsida och titta på Generiska standarder:

12 Varför behöver vi arbeta med EMC? Om vi inte har EMC i våra apparater och system så finns risk för försämrad funktion. Vi stör oss själva. Vi måste göra våra apparater och system så tåliga att de kan fungera i avsett miljö. Vi måste minska strålningen från våra apparater så att de inte stör andra apparater ( framförallt radiomottagare) => vi måste klara uppsatta gränsvärden. Nivåerna i standardena är sådana att radiomottagare inte störs. Dety blir dessa nivåer som är dimensionerande. Risken att överskrida gränsvärden är mycket större än risken att vi stör oss själva när det gäller utstrålad störning.

13 Fr o m l januari 1996 gäller Elsäkerhetsverkets föreskrift ELSÄK-FS I 995:5, som inför EU:s EMC-direktiv 89/336/EEC, och som omfattar regler om bl a upprättande av tillverkardeklaration, skyddskrav, verifiering och märkning. Tillverkaren, importören eller återförsäljaren kan få försäljningsförbud för produkten, föreläggande om att återta redan sålda exemplar samt ibland varningsannonsera. Påföljderna kan även förenas med betydande vite om inte beslutade åtgärder genomförs. Allvarligare brott mot elsäkerhetsföreskrifterna kan leda till böter eller fängelsestraff upp till ett år. Om skador uppstår kan också produktansvarslagen tillämpas, dvs ersättning kan utdömas för skador på såväl person som privategendom.

14 Elsäkerbetsverkets befogenheter Verket har enligt lag rätt att för tillsynen på begäran få de upplysningar och handlingar som behövs få tillträde till områden, lokaler och andra utrymmen än bostäder, få tillgång till apparater för kontroll hos den som tillverkar, importerar, saluför eller hyr ut apparater Marknadskontrollen Riktas främst mot tillverkare, importörer och grossister men även mot återförsäljare. Omfattar okulärbesiktning av produkter CE-märkning granskning av tillverkardeklarationer granskning av tekniskt underlag kontroll av bruksanvisningar provning vid misstanke om allvarligare fel

15 Mätantennerna är frekvensberoende och en kalibreringskurva måste användas för att räkna ut verklig nivå. Sambandet mellan uppmätt spänning, antennfaktor, kabeldämpning och elektrisk fältstyrka framgår av uttrycket nedan.

16 Mätning av störningar på ledningsbundna störningar görs med en LISN (Line Impedance Stabilazing Network) Mätning av strålning görs med en mätantenn och någon form av mätinstrument t.ex. mätförstärkare eller spektrumanalysator. Spektrumanalysatorn är brusig p.g.a. sin stora bandbredd. En mätförstärkare har en styrt smalbandigt filter på ingången, vilket gör att brusnivån sjunker. Mätavstånd 3m eller 10 m. Sämsta riktningen skall mätas.

17 CE-märket tar man fram själv och applicerar när man anser att man uppfyller kraven.

18

19

20

21 Resistans hos en ledare Vid låga frekvenser går strömmen genom ledarens hela tvärsnittsyta. Vid höga frekvenser går strömmen i ett skikt nära ytan. Tjockleken på detta skikt är δ (skindepth). Exemplet nedan vis skin-djupet för en kopparledare vid 100 MHz. Ledningsförmågan ( σ) för koppar är 5.8*10 7. s f m0 4. p d p 1. f. m0. s d = Djupet är alltså 6.6 mikrometer. Jämför detta med normalt kopparskikt på ett mönsterkort, vilket är 17 eller 35 mikrometer.

22 Edm Id. f 2 s. L.. d Ecm Ic f d. L Common Mode strålning är en EMI-bov!!!

23

24 I närfältet från en slinga är Z=E/H litet och H dominerar. H avtar snabbare än E när avståndet till källan ökar. I närfältet från en liten dipol är Z=E/H stort och E-fältet dominerar. E avtar snabbare än H när avståndet till källan ökar. På ett avstånd av λ/2π från källan finns närfältsgränsen och Z=E/H är konstant och lika med 377 ohm.

25 Differential Mode = Normal mod Common Mode = Gemensam mod Även om man har konstruerat för differential mode så kan common mode strömmar uppstå t.ex. p.g.a. strökapacitanser, vilka ger obalans i kretsen.

26 Induktans hos ledare S r w = radie L Gäller för ledare i luft men kan användas för isolerade ledare Extern induktans: Kapacitans: c l e m. p. ln s r w p e ln s r w [H/m] [F/m] OBS att induktansen är proportionell mot ln(s/r). Ökning av en ledarradie eller bredden på en mönsterkortsledare ger inte motsvarande minskning av induktansen. Z c l e c Z c 120 ln s. r w Induktansen = flödet dividerat med strömmen. Flödet är proportionellt mot strömmen och ytan. Om ytan minskas så minskas induktansen och därmed impedansen. Formeln för l e visar också att mindre s ger lägre l e => lägre impedans!!

27 Common Mode chokes Repetition av common mode fields och differential mode fields. Effektiv metod att minska common mode currents är att använda common mode chokes I1 + V1 - M I2 + V2 -

28 Common Mode chokes Z 1 = V 1 I 1 Z 1 jwli 1 jwmi 2 I 1 I common mode: I 1 I c I 2 I c Z cm jw ( L M) I differential mode: I 1 I dm I 2 I dm Z dm jw ( L M) I en ideal common mode choke där reluktansen är så låg att fältet utanför kärnan kan försummas blir L=M och impedansen för nyttosignalen Zdm 0. Impedansen för common mode signalen blir 2L.

29 EMC och PCB. Image planes Slingyta Signalledare Signalledare Slingyta Avbrott i jordplan Återledare i jordplan Extra slingyta Återledare i jordplan Strömmen försöker att ta den väg som ger minst motstånd d.v.s. lägst impedans. Om det finns ett jordplan så följer returströmmen så nära signalledaren som möjligt. Om det finns slitsar i jordplanet så förstörs denna bästa väg och störande strömslingor uppstår.

30 Avkoppling Avkopplingskondensatorn har två uppgifter: Ge tillräckligt med ström till kretsar vid omslag. Sluta små strömloopar för att minska EMI För att ge tillräckligt med ström med acceptabelt spänningsfall så krävs: C. D V D I. D t D I C D V D t 100 ma vid 5 ns stigtid och rippel mindre än 0.1V kräver C: C C = HF-loop utan avkoppling HF-loop med avkoppling Tänk också på att ledarna har L=1nH/mm. 10 mm ledare ger ett spänningsfall Ldi/dt = 10*[nH] * 0.1[A]/5[ns] = 0.2V

31 EMC och PCB. Avkoppling Idealt: Zjw ( ) = 1 jwc Z 90-20dB/decade 20dB/decade Rs f 1 2 p. LC. Idealt Idealt -90 Kapacitiv Induktiv log f Kapacitiv Induktiv log f

32 Spole/Induktor Idealt: Z wl Z 20dB/decade -20dB/decade 90 Rs f 1 2 p. LC. -90 Resistiv Induktiv Kapacitiv log f Resistiv Induktiv Kapaciv log f R f 2 p L

33 EMC och PCB. Avkoppling. Minskad slingyta (loop area)

34 För att minimera strålning från ett mönsterkort så skall: Common Mode strömmar minimeras Strömloopar minimeras. Nära till t.ex. jord och +. Minimera induktanser och skapa image planes för returströmmar. Effektivaste sättet är att använda flerlagerkort ( ex. 4-lagers kort) Signallager 1(bästa) Jordplan Spänningsplan Signallager 2

35 EMC och PCB. Partitionering Partitionering kan utgöras av subsystem och/eller tysta områden. Det är naturligt att dela in sin konstruktion i block, vilket minimerar ledningskängder och koppling mellen t.ex. digitala delar, analoga delar och I/O. Denna partitionering innebär att vi skapar funktionella subsystem. Ett annat sätt att partitionera är att isolera, skapa tysta områden. En analog del eller en I/O-del kan isoleras från övriga delar genom att öppningar i alla plan (vallgravar) och genom överbryggning av vallgraven på ett kontrollerat sätt. Audio del Analog del Funktionella subsystem Digital del 1 Digital del 2 Isolerade områden I/O del I/O del

36 Överhörning Överhörning är ett närfältsproblem. Överhörningen kan vara kapacitiv (1) och/eller induktiv(2). Överhörning orsakas också av gemensam impedans (3) Om generatorkretsen är lågohmig så får man framförallt en induktiv koppling. Om generatorkretsen är högohmig så får man en kapacitiv koppling. NE: Near End, FE: Far End 1 2 Victim=offer V S V NE V FE RNE RFE R L 3 Z CI

37 Överhörning Vid kapacitiv koppling får V NE och V FE samma fas. Vid induktiv koppling är fasskillnaden 180 mellan V NE och V FE. På ett kretskort dominerar kapacitiv koppling. Överhörning är ofta endast ett funktionellt problem (utebliven eller nedsatt funktion). Det kan dock också bli ett EMI-problem om t.ex. en IO-ledning ligger nära en klockledning eller liknande. IOledningen får en överlagrad CM-ström, vilken kan störa mycket. Öka avståndet mellan källa och offer. Använd jordplan för att få små loopar och för att öka kapacitansen mot jord => kapacitiv spänningsdelning mellan jord och offer. Gör kretsarna mer lågohmiga för att minska kapacitiv koppling. Lägg en extra jordledning mellan källa och offer. Källa Offer

38 Överhörning En skärm runt en ledare reducerar avsevärt den kapacitiva överhörningen om skärmen är jordad i åtminstone en ända. Induktiv överhörning dämpas enbart om skärmen är jordad i båda ändar. Partvinnad ledning är bra mot induktiv överhörning. Balancerad överföring är bra mot kapacitiv överhörning. => Partvinnad och balancerad överföring är bra. Varning för grissvansar, PIGTAILS OBS 10 nh/cm

39 Skärmning (metallskärm kring en utrustning) En skärm skyddar en elektronikutrustning mot störande strålning => ökad tålighet. En skärm förhindrar en utrustning från att sända ut strålning => minskad emission. Skärmningseffektivitet: SE = 20 log( E in /E out ) [db] SE = 20 log( H in /H out ) [db] SE = R + A R = Reflektionsdämpning A = Absorbtionsdämpning E in exponentiellt avklingande ström E out A 8.69 t d. t ( db) d inträngningsdjup E refl d 1 p. m. s. f m sf

40 Skärmning (reflektionsdämpning) Reflektionsdämpning beror på missanpassning mellan en infallande vågs impedans och ytimpedansen hos den reflekterande ytan. I fjärrfältet gäller R 20. ( K 1) 2 log 4K K 377 Zb Zb = ytimpedansen i ohm/ruta I närfältet gäller inte Z=377 ohm för infallande våg utan Z kan vara större ( E-fältkälla) eller mindre (H-fältkälla). Zb jwm s jwe Zb ökar med roten ur f dvs R minskar med 10 db/dekad Reflektionsdämpning Absorbtionsdämpning

41 Skärmning Vid låga frekvenser är en metallskärm en dålig skärm för magnetiska fält. Skärmning kan då ske med avledning med ferritmaterial eller my-metall. Aperturer(hål) i en skärm försämrar eller eliminerar skärmverkan. Aperturens längsta dimension är avgörande d.v.s. en slits med längden L är lika dålig som en kvadrat med ytan L*L. Om en apertur är större än λ/2 fås ingen skärmverkan!. Bättre

42 Filter En kabel som går in genom en skärmbox kan förstöra hela skärmverkan. Fungerar som antenn Här måste ett filter anslutas med så små avstånd som möjligt till jord Skärmbox

43 ESD Electro Static Discharge ESD ger korta, kraftiga strömstötar, vilka kan inducera spänningar i loopar i intill-liggande elektronik. I=30A tr= 1ns r U D I U A. m0 D I 2. p. r A r 0.1 m0 4. p U = 6 I en slinga på 1 cm2 induceras 6V när en ström på 30A/1ns passerar 10 cm ifrån.