Eliminowanie problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC), wykrytych na końcowym etapie projektowania, jest zwykle bardzo kosztowne i wiąże się ze znacznymi opóźnieniami we wprowadzaniu produktu na rynek. Z ekonomicznego punktu widzenia bardziej uzasadnione jest uwzględnianie zagadnień EMC już na początkowym etapie projektowania, tj. podczas definiowania wymagań oraz opracowywania schematu elektrycznego wyrobu. Na rysunku 1 przedstawiono najważniejsze elementy, które należy uwzględnić podczas projektowania wyrobu bezpiecznego pod względem EMC. W niniejszym artykule nie omówiono szczegółowo wszystkich tych zagadnień – skupiono się na wybranych elementach istotnych na początkowym etapie projektowania.
Analiza ryzyka – punkt wyjścia do projektowania EMC
Zgodnie z dyrektywą EMC jednym z elementów dokumentacji technicznej powinna być analiza i ocena ryzyka. W kontekście kompatybilności elektromagnetycznej jest to często niedoceniany, a jednocześnie bardzo istotny element, szczególnie na początkowym etapie projektu. Rzetelnie przeprowadzona analiza ryzyka pozwala zidentyfikować zagrożenia EMC oraz ułatwia prawidłową realizację pozostałych elementów procesu projektowego z rysunku 1. W tym kontekście kluczowe jest określenie potencjalnie niebezpiecznych zjawisk elektromagnetycznych (EM), wynikających zarówno z oddziaływania środowiska zewnętrznego, jak i z procesów zachodzących wewnątrz urządzenia lub systemu.
Normy zharmonizowane – wymagania badań EMC
Przy ocenie zgodności z dyrektywą EMC najczęściej stosuje się normy zharmonizowane. Już na etapie analizy ryzyka możliwe jest więc określenie poziomów zaburzeń, którym urządzenie będzie poddawane podczas badań odporności. W niektórych przypadkach zakres badań zależy od typu oraz długości interfejsów zewnętrznych (np. w przypadku badań odporności na wyładowania atmosferyczne lub szybkie elektryczne stany przejściowe). Z tego względu analiza stanu prawnego powinna stanowić jeden z elementów oceny ryzyka. Określenie norm zharmonizowanych właściwych dla projektowanego wyrobu pozwala zdefiniować rodzaje badań, poziomy narażeń oraz limity emisji, co umożliwia bardziej świadome projektowanie urządzenia oraz dobór odpowiednich środków ochronnych.
Źródła problemów EMC w sygnałach i architekturze urządzenia
Skala problemów EMC zależy w dużym stopniu od widma częstotliwościowego sygnałów obecnych w urządzeniu oraz od zakresu częstotliwości i amplitud zaburzeń występujących w środowisku jego pracy. W kontekście emisji należy pamiętać, że sygnały funkcjonalne o najwyższych częstotliwościach oraz najkrótszych czasach narastania i opadania zboczy stanowią główne źródło zaburzeń. Dlatego już podczas analizy ryzyka należy zidentyfikować układy generujące największe zaburzenia oraz układy najbardziej wrażliwe, pracujące zwykle przy niższych częstotliwościach i amplitudach sygnałów. Pozwala to świadomie ograniczać sprzężenia elektromagnetyczne (EM) pomiędzy tymi układami. W wielu przypadkach można to osiągnąć poprzez właściwe rozmieszczenie elementów, w szczególności poprzez zwiększenie odległości między nimi. Przykładem tego jest zasada mówiąca, że elementy analogowe nie powinny być umieszczane w obszarach obwodów drukowanych, w których prowadzone są szybkie sygnały cyfrowe. Analogiczne podejście, w większej skali, dotyczy rozmieszczania układów w szafach sterowniczych. Zastosowanie takiego podejścia na wczesnym etapie projektowania pozwala rozwiązać wiele problemów EMC bez ponoszenia dodatkowych kosztów.
Projekt elektryczny jako pierwszy etap ograniczania zaburzeń
Kolejnym elementem projektu po analizie ryzyka jest właściwe przygotowanie projektu elektrycznego. Na etapie rysowania schematu często nie uwzględnia się zachowania rzeczywistych elementów w zakresie wyższych częstotliwości. Pomija się impedancje połączeń, pojemności pasożytnicze między przewodzącymi elementami urządzenia, pojemności pasożytnicze cewek czy indukcyjności własne i montażowe kondensatorów. Na etapie projektu elektrycznego należy właściwie dobrać elementy układu tak, aby zagwarantować prawidłowe ich parametry w całym zakresie częstotliwości roboczych urządzenia. Dobrze przygotowany projekt elektryczny wymaga znajomości rozmieszczenia elementów i złącz oraz uwzględnienia typu oprzewodowania. Jest to niezbędne, aby prawidłowo rozplanować połączenia masy i zasilania. W zakresie wyższych częstotliwości niezwykle ważne jest minimalizowanie powierzchni pętli, w których płyną prądy. Pozwala to ograniczać poziom zaburzeń powstających na rzeczywistych impedancjach połączeń, a tym samym ograniczać emisję przewodzoną i promieniowaną, zwiększać odporność urządzenia oraz zmniejszać sprzężenia EM między elementami urządzenia.
Przykład mechanizmów powstawania zaburzeń elektromagnetycznych
Ideę tych mechanizmów w uproszczony sposób pokazano na rysunku 2. Widzimy tutaj układ, który jest źródłem zaburzeń. Impulsowy prąd płynie w zamkniętej pętli od źródła U1 do obciążenia Z1. Poziom napięć zakłócających uZ jest tym większy im szybsze są zmiany prądu i(t) w obwodzie oraz większe impedancje połączeń reprezentowane przez indukcyjności Lp. Impedancje te w praktyce zależą od powierzchni pętli, a więc od długości połączenia i odległości między połączeniem sygnałowym i powrotnym. Dodatkowo do systemu dołączone są zewnętrzne interfejsy, które podłączone są m.in. do zakłóconej masy w punktach G1 i G2. W pobliżu obwodu A znajduje się również obwód B, w którym przesyłane są sygnały o dużo mniejszej amplitudzie i częstotliwości.
Przykładowe problemy, które mogą się tutaj pojawić są następujące:
– w zakresie wyższych częstotliwości obwód A w którym płynie prąd i(t) zachowuje się jak nieintencjonalna antena i promieniuje pole EM;
– różnica potencjałów między punktami G1 i G2 w połączeniach masy wymusza przepływ prądu zakłócającego przez interfejsy zewnętrzne. Interfejsy zewnętrzne stają się nieintencjonalnymi antenami i zwiększa się emisja promieniowana;
– jeżeli masy obwodów A i B są połączone, pojawiają się zaburzenia przewodzone, które mogą zakłócić obwód B;
– pola promieniowane przez obwód A powodują zaburzenia w obwodzie B.
Ograniczanie zaburzeń już na etapie projektu elektrycznego
Wszystkie te problemy można uwzględnić i próbować ograniczać już na etapie projektu elektrycznego. W celu zmniejszenia emisji promieniowanej i zaburzeń uz powodowanych przez prąd i(t) niezbędne jest zmniejszenie powierzchni pętli obwodu A. Jeżeli nie jest możliwe skrócenie połączeń, konieczne jest zmniejszanie odległości między połączeniami sygnałowym i masy. Jest to szczególnie ważne w przypadku połączeń z sygnałami o najwyższych częstotliwościach.
Efekt promieniowania powodowanego przez prądy iz w interfejsach zewnętrznych można ograniczać poprzez zmniejszenie różnicy potencjałów między punktami G1 i G2 (napięcie zakłócające uz). W tym celu należy zmniejszać indukcyjność połączeń Lp w obwodzie A, co w praktyce ponownie sprowadza się do zmniejszania powierzchni pętli. Kolejnym rozwiązaniem wartym rozważenia jest umieszczenie złącz możliwie blisko siebie po jednej stronie urządzenia. Rozwiązania te, uwzględnione w projekcie elektrycznym, mogą praktycznie bezkosztowo ograniczyć poziom zaburzeń między punktami masy, do których podłączone są interfejsy zewnętrzne. Jeżeli okaże się to nie wystarczające, kolejnym stopniem ochrony mogą być filtry umieszczane w pobliżu złącz I/O i/lub stosowanie przewodów ekranowanych.
Znaczenie okablowania oraz prowadzenia ścieżek i struktury PCB w EMC
Zmniejszanie sprzężeń między obwodami A i B osiągamy poprzez zmniejszenie powierzchni pętli obu obwodów oraz zwiększenie odległości między nimi. W przypadku połączeń przewodowych dodatkowo można zastosować przewody ekranowane i/lub przewody skręcane. Oczywiście w przypadku połączeń w obwodach drukowanych jedno- czy dwuwarstwowych możliwości są dużo bardziej ograniczone. Znacznie łatwiej jest to zrealizować w obwodach wielowarstwowych, gdzie ścieżki z sygnałami cyfrowymi o dużych częstotliwościach i z sygnałami, które łatwo zakłócić, powinny być prowadzone na innych warstwach. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest również dodatkowe ekranowanie realizowane poprzez płaszczyzny masy lub zasilania umieszczane między warstwami sygnałowymi.
Na tym prostym przykładzie pokazano, że uwzględnianie zagadnień związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną już na początkowym etapie projektu pozwala w istotny sposób ograniczyć poziomy emitowanych zaburzeń i zwiększyć odporność urządzenia na zaburzenia zewnętrzne. Jeżeli tylko uwzględnimy je już na etapie tworzenia schematu elektrycznego, wiele z tych rozwiązań może okazać się całkowicie bezkosztowych. Oczywiste jest, że poprzez rozmieszczenie elementów czy złącz oraz prawidłowe wykonanie połączeń nie da się całkowicie wyeliminować problemów związanych z EMC. Niemniej jednak samo ograniczenie sprzężeń EM w urządzeniu, pozwala na dalszym etapie ograniczyć koszty związane z koniecznością stosowania rozbudowanych i drogich filtrów czy obudów o bardzo dużej skuteczności ekranowania.
Projekt mechaniczny jako element projektu EMC
Kolejnym elementem, na który warto zwrócić uwagę na wstępnym etapie jest projekt mechaniczny. Jest on szczególnie istotny w przypadku stosowania ekranowania. Przykładowo, wiadomym jest, że aby ekran przewodu spełniał swoją rolę, musi on być podłączony do potencjału odniesienia. Połączenie to musi charakteryzować się bardzo małą impedancją w szerokim zakresie częstotliwości. Optymalnym rozwiązaniem jest połączenie ekranu na całym obwodzie do masy mechanicznej. Należy zatem zaplanować zastosowanie odpowiednich zacisków, ewentualnych podkładek i zapewnienie niepomalowanego miejsca umożliwiającego bezpośrednie połączenie do punktu odniesienia. Podobne problemy pojawiają się w przypadku obudów ekranujących, gdzie każda szczelina i każdy otwór pogarszają skuteczność ekranowania. Zatem już na etapie projektu elektrycznego i mechanicznego należy uwzględniać ewentualną obecność paneli wentylacyjnych, uszczelek EM dopasowanych do warunków środowiskowych, prawidłowy montaż złącz czy dobór materiałów zapewniających zgodność elektrochemiczną w celu ograniczenia korozji galwanicznej.
EMC jako element optymalizacji kosztów i ryzyka projektu
Podsumowując, celem tego artykułu jest zwrócenie uwagi, że analiza ryzyka pod kątem EMC, a następnie prawidłowy projekt elektryczny i mechaniczny, pozwalają na ograniczenie wielu problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną. Ostatecznie, podejście takie zazwyczaj przekłada się na ograniczenie zabezpieczeń sprzętowych i dużo mniejsze koszty związane z wprowadzaniem wyrobu na rynek.
Artur Noga
Politechnika Śląska, Cert Partner
Chcesz skorzystać ze szkolenia? Zapisz się już dziś: <Szkolenie EMC>
lub skontaktuj się z nami: 515 317 094, szkolenia@certpartner.pl
