EMC, støj og interferens er fortsat en slags ”sortekunst” for store dele af elektronikmarkedet – selv blandt erfarne ingeniører. Af samme årsag kan et seminar om EMC afholdt i fællesskab af Analog Devices, Rohde & Schwarz og Würth Elektronik tiltrække et meget stort publikum, hvilket for nylig var tilfældet i både Sønderborg og Hvidovre
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 7 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Rolf Sylvester-Hvid
Det er i grunden slående, at vi ca. 40 år efter, man for alvor begyndte at dykke ned i begrebet omkring EMC, stadig kan tiltrække en meget stor mængde af ingeniører og designere i alle aldre til et EMC-seminar. Men der er behov for at kende til støjfænomener, og hvordan man undertrykker, fjerner eller flytter støjen, og beviset ligger blandt andet i, at Analog Devices, Rohde & Schwarz og Würth Elektronik kan tiltrække et meget stort publikum, der i eventen i Hvidovres tilfælde talte rundt regnet 70 deltagere. Som Ole Sanggaard Knudsen, landechef for Würth Elektronik, konstaterede: Det er fantastisk, at man kan få så mange højtuddannede og højtlønnede folk til at sætte dagen af til at lære mere om EMC og støj. Det sætter en tyk streg under værdien af sådan et seminar – og den interesse seminaret har for markedet.
– Støj flytter sig på tre måder: Ledningsbåren, induktivt eller kapacitivt. Man skal se støj og EMC som et fænomen, der starter internt mellem komponenter på printet og mellem komponenterne og print, fortsætter mellem print og print, print og apparater og ender mellem apparater og omgivelser. Strømmen bevæger sig altid i loops, som følger højrehåndsreglen. Er der strøm, er der også loops, og beviset på en konstruktions funktion er, at den udsender støj. Man skal skelne mellem nærfelts- og fjernfeltsstøj, hvor bølgelængden er betegnende for udbredelsen. Jo lavere frekvenser, desto længere udbredes de, indleder Nicolai Mahncke fra Analog Devices for lige at give en kort intro til, hvilke fænomener elektronikdesignere i grunden slås mod.
Han peger på, at det primært er strømforsyninger, der i dag er mål for EMC-betragtninger, og det skyldes jo, at man går fra de lineære forsyninger over til de switchede forsyninger. Og jo hurtigere, man switcher, desto værre bliver støjproblemerne – i hvert fald på printet. Det er så her, at sammenhængen mellem frekvenser og bølgelængder samt strøm-loops bliver interessant. Switcher man en strøm på et print, så vil der i forhold til støjen, som følger strømmen, opstå en modgående støjstrøm, der som følge af den kapacitive kobling vil støje. Et kredsløb skal derfor altid ideelt være den dårligst mulige antenne, man kan tænke sig. I sit forsyningsdesign skal man også overveje topologien, for en buck-konverter har et relativt støjsvagt og DC-lignende output, mens det for en boost-konverter er et firkantet output, der som udgangspunkt støjer meget.
– Spolen er en vital del af den switchede strømforsyning. Problemet er blot, at man får meget mere, end man forventer, når man køber en spole. Man får nemlig en modstands- (R-) og en kapacitiv (C-) komponent med i købet af spolen – og faktisk bliver spolen kun dyrere, jo mindre modstand og kapacitet, man kan acceptere. Men R- og C-delen oven i den grundlæggende induktans (L) giver ringning selv på buck-konverterens udgang, og det giver med andre ord støj. Det kan man så fjerne med kondensatoren på udgangen, men hér får vi også en ækvivalent seriemodstand (ESR) og serieinduktans (ESL) med i købet. Kunsten er så at kigge på ESR/ESL i forhold til frekvensen over kondensatoren og så vælge en type, hvor der er et impedansdyk ved den frekvens, man ønsker, at strømforsyningen skal switche ved, forklarer Nicolai Mahncke, som også løfter en pegefinger i forhold til bias- og temperaturafhængigheden, som reelt kan eliminere kapacitansen af en kondensator – næsten fuldstændigt – hvis man ikke tænker over kondensatorens egenskaber.
Nicolai Mahncke anbefaler LTSpice til simulering af kredsløb, og selv om grafikken er lidt ”80’er-agtig”, så er det et effektivt værktøj. Med LTSpice opnår man et effektivt indblik i de enkelte komponenters spændinger og strømme for dermed at få en ret præcis fornemmelse af, hvor de komponenter arbejder – og ikke mindst støjer eller undertrykker støjen. LTSpice er et gratis værktøj, som er forholdsmæssigt let at bruge. Det er en meget effektiv vej til at designe filterløsninger, der kan undertrykke den støj, som opstår i mange slags kredsløb, og ikke mindst de switchede strømforsyninger.
CISPR22 og flinke ferritter
Udgangspunktet for al støjundertrykkelse og EMC-godkendelse ligger i CISPR22, der beskæftiger sig med (radio)genereret støj under forskellige forhold. 150kHz til 30MHz er efter CISPR defineret som ledningsbåren støj, mens området mellem 30MHz og 6GHz er (ud)strålet støj. Man skal i den forbindelse også skelne mellem støjfølsomhed og støjgenerering. Alt støjer, så CE-mærket giver i høj grad mening for alle elektroniske produkter. Som Henning Bomberg fra Würth Elektronik påpeger, så siger han altid ”vi ses” til producenter og importører, som hævder, at EMC-problemer ikke angår dem.
– Der er en tydelig sammenhæng mellem tid og omkostninger, afhængigt af hvor tidligt man tager hensyn til en EMC i designet. Jo tidligere, man tænker EMC ind i designet, desto billigere bliver produktet som regel – i forhold til at løse støjfænomener efter prototypestadiet, når et produkt er gået i produktion. En ferrit på et kabel koster et par kroner – og kan løse et støjproblem i et produkt efter fremstilling. Men hvis man havde tænkt over problemet i designfasen, havde et par chip-ferritperler kunnet løse problemet for et par øre, før problemet overhovedet havde udviklet sig, fortæller Henning Bomberg.
Ferritter er glimrende produkter til eliminering af støj i mange designs, da de bryder magnetfelterne, som hænger uundgåeligt sammen med støjen. Af samme årsag er aksiale spoler djævelens værk, da de ifølge højrehåndsreglen genererer støjende nord- og sydpolfænomener. I den forbindelse er ringkerner og toroider langt bedre spoleformer, da man så at sige holder magnetfeltet inde i systemet. Holder vi fast i højrehåndsreglen, så er ferritternes indflydelse interessant. Magnetfeltet rundt om en leder vil være det samme, uanset om man bruger en ferrit eller ej, men fluxen bliver reduceret med ferritten på grund af permeabiliteten i ferrittens materiale. Men den relative permeabilitet afhænger af mange faktorer som strøm (mætning), frekvens, materiale, temperatur og tryk.
– Hvor applikationen i mange tilfælde dikterer strømmen, frekvensen, så handler tryk og temperaturer mest om omgivelserne for elektronikken, men man kan vælge sit materiale for en ferrit og dermed opnå markante forskelle i permeabiliteten. Placeringen af vindinger rundt om eksempelvis en toroidekerne er ikke uvæsentlig. Jeg har i laboratoriet opnået vidt forskellige dæmpninger med tre vindinger rundt om en ringkerne, afhængigt af om vindingerne sad ved siden af hinanden eller var spredt rundt på ringkernen. Man skal i støjdæmpning med trådviklede produkter også huske på, at der er pokker til forskel mellem common-mode eller differential-mode konfigurationer, og det kan så i øvrigt gøre forskellen mellem, om man skal bruge common-mode spole eller en ferritperle, konkluderer Henning Bomberg.
Debugging af støj og pre-compliance målinger
Når det drejer sig om EMC og CE-mærkning, kommer man ikke uden om tests hos de autoriserede laboratorier – selv om man muligvis er sikker på overensstemmelse med diverse direktiver. Men vejen til en endelig godkendelse giver meget store mulige besparelser. Vejen går fra EMC debugging over pre-compliance tests i prototypeforløbet og endelig godkendelse mellem prototyping og produktion. Og i alle tilfælde giver det rigtig god mening at have adgang til de rigtige måleinstrumenter – og oscilloskopet, ikke mindst MSO’er (Mixed-Signal Oscilloscope) er det vigtigste værktøj overhovedet.
– Vi anbefaler E- og H-feltprober til EMC-måleapplikationer, da det giver et meget fint billede af den udstrålede støj fra en applikation. Vores prober har en båndbredde op til 3GHz. Disse prober er ret fantastiske, for når man fører dem hen over printet, så vil det tilsluttede oscilloskop meget tydeligt give en grafisk udlæsning af, hvilke komponenter der støjer. Når vi så har fundet frem til én eller flere støjende komponenter, så kan vi på oscilloskopet zoome ind på støjen for at se, hvilke frekvenser og amplituder vi slås mod, siger Thomas Ogestadh, der er chef for oscilloskopprodukter i Norden og Baltikum hos Rohde & Schwarz.
Kravene til en spektrumanalysator (i praksis et oscilloskop) med en støjanalysator kunne være en Fxx-K54-option parret med de nyeste CISPR-detektorer og 6dB BW-filtre til rensning af signalerne. I dag guider et produkt som K54 brugeren igennem pre-compliance målingerne gennem menustyring og et interaktivt display. Kobler man R&S Elektra-softwaren via en pc til sit oscilloskop, så opnår man muligheden for at udføre spektrumanalyse med et oscilloskop. Rohde & Schwarz’ Windows-baserede oscilloskoper kan suppleres med et EMC pre-compliance tool, som giver oscilloskopet nye styringer af templates og funktioner med peak-liste, segmenteret analyse og CISPR/MIL-setups.
– Vi er i stand til at udføre en komplet pre-compliance måling med udskrift af en pre-compliance rapport via oscilloskopet, og pre-compliancesoftwaren er gratis at bruge for kunderne. Man er dog nødt til at koble oscilloskopet til sin pc, da man ikke kan køre pre-compliancesoftwaren på selve oscilloskopet, men kun i forbindelse med en tilsluttet pc. Når det så er gjort, kan man meget let udføre common-mode/differential-mode separation, og det gør pre-compliancetesten betydeligt enklere – blandt andet fordi man kan udføre segmenteret analyse, slutter Thomas Ogestadh som afslutning på EMC-seminardagen.
Billedtekst:
1: Nicolai Mahncke fra Analog Devices Inc. fortæller om kilderne til støj i elektronikdesigns.
2: Würth Elektronik leverer designkasser, som de gratis genopfylder, til elektronikvirksomheders designafdelinger. Det løser mange problemer, før et design overhovedet når prototypestadiet – og det er suverænt den billigste EMC-løsning, fortæller Würth Elektroniks Henning Bomberg.
3: Thomas Ogestadh kunne som afslutning på EMC-seminardagen visualisere støjproblemerne med en oscilloskopløsning fra Rohde & Schwarz’ Fxx-K54-serie.
4: EMC-seminarerne tiltrak mere end 100 interesserede i Sønderborg og Hvidovre. Sammenlagt er det faktisk et stort antal timer, som industrien lægger i at lære mere om EMC, der fortsat har et præg af ”sortekunst” over sig.
5: Hands-on oplevelsen er altid en væsentlig del af de tekniske seminarer, og de tre virksomheder bag EMC-seminaret havde sørget for masser at pille ved.
