Zkoušky na elektromagnetickou kompatibilitu a ochrana proti elektromagnetickým jevům – první část

Při vývoji nového produktu je hlavní důraz kladen na jeho funkčnost. Někdy ale to, co může celý projekt zablokovat zrovna před zahájením výroby, jsou zkoušky na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Jak již bylo pojednáno v dříve publikovaném článku „Jak na elektromagnetickou kompatibilitu“, EMC pokrývá čtyři klíčové aspekty: vyzařování, imunitu, integritu signálu a elektrostatický výboj (ESD). V této první části příspěvku na dané téma se blíže podíváme na některé jevy zahrnuté v pojmu elektromagnetická citlivost (EMS – Electromagnetic Suscepptibility) a elektromagnetické rušení (EMI). Dáme je do souvislosti s jejich příslušnými normami, poskytneme tipy na to, jak zkoušky provádět a nabídneme metody řešení neúspěchů při zkouškách.

ELEKTROMAGNETICKÁ CITLIVOST (EMS)

Elektrostatický výboj

Všichni jsme někdy zažili cvaknutí ESD výboje při vystupování z auta nebo při podání ruky příteli nebo kolegovi. Napětí může dosahovat od cca 8 kV až do hodnot výrazně nad 15 kV. Ačkoli se nám často zdá, že výboj vzniká následkem dotyku něčeho, napětí mohou být ve skutečnosti tak vysoká, že k výboji dojde skrze vzduch. Tudíž i když vaše aplikace nemá kovové části odkryté do takové míry, že se jich lze dotknout, takové, jako jsou datové konektory, pouhé přiblížení ruky může postačovat k tomu, aby nastal výboj. 

Datové spoje od takového konektoru nebo svorek zdroje vedou zpět k integrovanému obvodu, takže se ESD impulz může vybít do země přes tuto polovodičovou součástku. Toto může vést k roztavení křemíkových nebo metalizovaných struktur nebo k proražení díry v oxidové vrstvě. Porucha může nastat okamžitě, v horším případě však vzniklé zeslabení přivodí poruchu postupně. Než se tak stane, může se poškození výbojem ESD projevovat jako nahodilé poruchy funkčnosti.

Obr. 1  Tření může způsobit nahromadění elektrického náboje při chůzi po koberci, který se vybije ve chvíli, kdy se dotkneme něčeho uzemněného

koušky se provádějí pomocí děla ESD, které se umístí ideálně tak, že se dotýká odkrytého vodivého povrchu. Pokud žádný takový povrch není k dispozici, lze použít vzdušný výboj. Výsledky však do značné míry závisí na faktorech, jakými jsou vlhkost vzduchu, ale také úhel děla ESD a tvar jeho špičky. Je nutné poznamenat, že je tento druh zkoušek považován za destruktivní, protože zkoušky jsou opakovány při zvyšujícím se napětí až do nalezení hranice systému.

Citlivé signály lze ochránit a často se k tomu účelu používají diody pro potlačení krátkodobých přepětí (TVS). Dioda TVS má za normálních podmínek minimálně rozpoznatelný vliv na signál. Napětí je při aplikaci impulzu ESD vybíjeno skrze diodu na zem. Katalogový list součástky typicky uvádí tvarové průběhy ESD a můžete očekávat, že špičkové napětí je omezeno na desítky voltů po dobu několika nanosekund.

Volba TVS závisí na několika faktorech. Provozní napětí prvku musí být vyšší, než je maximální provozní napětí vaší aplikace. Pokud by tomu tak nebylo, docházelo by k omezování signálu při běžném provozu. Rovněž je třeba zvážit, zda bude nutná jednosměrná (signál je trvale nad/pod vztažnou napěťovou úrovní, typicky potenciálem země) nebo obousměrná ochrana. Velmi rychlé signály, takové jako USB, vyžadují obousměrné prvky TVS s nízkou kapacitou pro minimalizaci vlivu na celistvost signálu.

Obr. 2  Pro ochranu proti ESD se diody TVS umisťují typicky mezi konektory a polovodičová zařízení

Změřit je možné také vliv výboje ESD. Norma EN 61000-2-4 poskytuje dokumentaci popisující vhodnou sestavu a požadované zkušební vybavení. Potřebný je osciloskop s kmitočtovým rozsahem do 2 GHz, ačkoli některé normy vyžadují 16 GHz nebo více. Rychlost vzorkování 20 gigavzorků za sekundu se zobrazením při 20 ns/div je dostačující pro získání a prověření tvaru impulzu ESD. Do signálové cesty je nutno vložit útlumové členy, aby se předešlo poškození vstupu. Některé pokročilé osciloskopy jsou dokonce vybaveny předvolitelným nastavením, které je vhodné pro zkoušky ESD.     

Konečně nezapomeňte zajistit ve vaší laboratoři patřičné vybavení ESD, které je potřebné při manipulaci s elektronickými součástkami a systémy. K tomuto vybavení patří pracovní podložky, obuv, náramky na zápěstí, obaly a systém pro kontrolu funkčnosti ochrany ESD.

Obr. 3  K záznamu ESD lze využít osciloskop, při použití diody TVS je vidět podstatný rozdíl v průběhu signálu

Elektromagnetické vyzařované pole

Když autem projíždíte v blízkosti některých budov, můžete zaregistrovat nepříjemný brum z vašeho rozhlasového přijímače nebo můžete uslyšet zabzučení krátce před zazvoněním vašeho chytrého telefonu. Pokud ano, stali jste se svědky účinku vyzařovaného elektromagnetického pole na elektronické zařízení. Typicky to však neznamená nic zvláštního, pouze snad, že je to nepříjemné. V jiných situacích to však může ohrozit život. Kardiostimulátory, lékařské vybavení nebo průmyslové systémy důležité z hlediska bezpečnosti mohou přestat pracovat a mohou v takových případech způsobit zranění nebo ztrátu života.

EN 61000-4-3 definuje požadavky na imunitu a postup pro zkoušku signálem o vysokém spojitém kmitočtu. Při zkoušce se využívá signálového generátoru, který je připojen přes zesilovač k anténě namířené na zkoušené zařízení. Zařízení je poté sledováno z hlediska funkčních anomálií, zatímco je sinusově modulovaný signál rozmítán v kmitočtových pásmech 80 MHz až 1 GHz, 800 MHz až 960 MHz a 1,4 GHz až 6 GHz. Použitá síla pole závisí na prostředí, kterému bude zařízení vystaveno při běžném provozu. K tomu navíc musí být výrobek zkoušen se všemi připojenými kabely a doplňky, které jsou při provozu potřebné.

S ohledem na riziko rušení jiným zařízením jsou tyto zkoušky prováděny uvnitř bezodrazové komory, a tudíž je nepravděpodobné, že je budete moci provádět ve vaší vlastní laboratoři.

Obr. 4  Elektromagnetické rušení lze zaregistrovat, když rozhlasový přijímač zabzučí před zazvoněním chytrého telefonu

I když norma stanoví jednotný zkušební postup, nemusí nutně u vašeho zařízení některé problémy odhalit. Jednou slabinou je použití jediného modulovaného kmitočtu. V reálném světě jsou zařízení vystavena současně mnoha signálům o různých kmitočtech. Tyto signály mohou vytvářet intermodulační složky, které mohou ovlivnit měření vašeho zařízení. Kromě toho křemíkové obvody demodulují vysokofrekvenční signály, což často vede k rušení na vzorkovacích kmitočtech využívaných při sběru dat a tím k ovlivnění přesnosti měření.

Kmitočtový rozsah použitý při zkouškách je stanoven docela vysoko, ale vaše zařízení může být citlivé na signály pod 80 MHz. V takovém případě mohou vyjít potenciální problémy najevo při zkouškách dle EN 61000-4-16 (imunita vůči šumu po kabeláži), která je zaměřena na kmitočtové pásmo 0 Hz až 150 kHz.

Další určitou překážku v průběhu zkoušek a sledování jejich výsledků představuje uvádění zkoušeného zařízení do všech patřičných provozních režimů. Zkoušky jsou typicky prováděny bez přítomnosti obsluhy, což vyžaduje nějaký způsob jeho dálkového sledování a ovládání. V průběhu zkoušek může být nutné spouštět zákaznický software s možným požadavkem zajištění časových prodlev v průběhu kmitočtového rozmítání pro poskytnutí času na zjištění jakékoli negativní odezvy na použitý signál. 

V případě neúspěchu při zkoušce se tým dozví, na které kmitočty je zařízení citlivé. Je možné zkusit znovu problém vyvolat za pomoci místního generátoru signálu na dotyčných kmitočtech nebo provést zkoušky v přenosném stíněném stanu dříve, než se pokusíte o re-certifikaci. Lze to provést pomocí sond blízkého pole, injekcí vf signálu nebo i rádiovým vysílačem v pásmu ISM.

Obr. 5  Provoz v reálném světě vystavuje vaši aplikaci mnoha signálům o různých kmitočtech současně − něčemu, co není pokryto normou EN 61000-4-3

Existují tři způsoby, jak řešit problémy s rušením: filtrací, zemněním a stíněním. Musíte určit problematickou část obvodu, jak se problém projevuje a jaké nápravné opatření nejlépe funguje. Pokud má vaše aplikace softwarově nastavitelné části, mohou se součástí řešení stát i změny nastavení filtru nebo hodinového kmitočtu. Nicméně jakmile vyřešíte úlohu na dotyčném kmitočtu, musíte se ujistit, že nedošlo k nahodilému přesunutí problému na kmitočet jiný. 

I když formální zkoušky prokážou splnění požadavků EN 61000-4-3, většina systémových konstruktérů rozumí specifickým nárokům vyzařovaného pole, v němž se bude zařízení typicky používat. Například konstruktéři dotykových obrazovek vědí, že rušení z domácích spotřebičů může mít vliv na jejich funkci. Pokud víte, že se zařízení bude používat v blízkosti spotřebiče, který dříve způsoboval problémy, vyplatí se vyzkoušet je v dané situaci v rámci zkušebního procesu.

Obr. 6  Zkoušky dle EN 61000-4-3 vyžadují použití bezodrazové komory; je třeba zvážit možnost sledování zkoušeného zařízení bez přítomnosti obsluhy

Při řešení problémů zachovejte metodičnost

Bez ohledu na to, jestli se jedná o otázky ESD nebo EMI, je nutné pracovat při jejich řešení metodicky. Pokaždé provádějte najednou pouze jedinou změnu, pokud je to možné, a zaznamenávejte výsledky. Fotografie rozložení vaší měřicí aparatury také pomůže při opětovném zopakování původního zkušebního uspořádání později. Pokud pracujete s anténou a zkoušeným zařízením, nezapomeňte označit polohu všech prvků nějakou lepicí páskou. Nakonec nezapomeňte pro vyloučení jiných zdrojů rušení zvednout a pohnout kabely, vypnout ostatní místní zařízení a zjistit polohu jakýchkoliv vysílačů ve vašem prostoru.

Poznámka: Článek byl přeložen společností AMTEK, spol. s r. o., která je distributorem výrobků Traco Power v České republice a na Slovensku.