EMC øving 5 løsningsforslag Stein Øvstedal

Transkript

1 Kus: Læe: EMC øving 5 løsningsfoslag Stein Øvstedal (steino@iet.hist.no) Svaene finnes i kapittel 6 i læeboka [1]. OPPGAVE 1 a) Fokla hva du fostå med føste, ande og tedje nivå fo å kontollee EMC? Sva: Føste nivå EMC kontoll ha med ketsdesign å gjøe. Mønstekotet må konstuees på iktig måte. Det vil si at systemet deles opp i delketse. Videe at jodsystemet, avkobling, bandbedde etc. kontollees. Ande nivå av EMC kontoll e å kontollee fobindelsene (kable) til omvedenen. Desom ketsdesignet alleede e bestemt, e løsningen filteing. En må hinde at støy kan gå ut/inn av appaatet. Desom dette ikke tilstekkelig, må vi gjøe EMC kontoll på tedje nivå som e (full) skjeming. b) Hva e den elative kostnaden på hvet nivå (ef. spøsmål 1)? (Hvilket nivå e billigst og hvilket e dyest?) Sva: Et godt ketsdesign/mønstekotdesign behøve ikke koste noe sælig eksta desom det e tenkt på EMC-kontoll fa staten av. Desom en må filtee vil dette medføe eksta kostnade, men en full skjeming e den mest kostbae løsningen. c) Hva fostå du med oppdeling av et system og hva e hensikten med det i EMC sammenheng? Sva: Med oppdeling av et system mene vi at de enkelte funksjone splittes opp geogafisk på ketskotet. Analoge og digitale funksjone skilles. Videe at hve individuell analog og digital funksjon sepaees. Ingen signal/jodledninge fa en funksjon skal kysse ove et omåde hvo det e en annen funksjon. d) Fokla minste to tolkninge av begepet jod. Sva: Med jod kan vi fostå sikkehetsjod. Den ha til hensikt å lede vekk falige stømme ved feil på systemet. Videe kan vi definee jod som det punktet de ketsen finne et ekvipotensial (noe som ikke vil væe sant desom det gå støm i systemet). En bede definisjon vil væe å definee jod som et lavimpedanspunkt i fohold til sann jod (også fo høye fekvense). I EMC-sammenheng e det viktig å ha lav impedans (og kot jodsløyfe). e) Fokla hva enkeltpunkt-joding, flepunkt-joding og hybid-joding e, og i hvilke tilfelle e de enkelte metodene mest hensiktsmessig. Sva: Enkeltpunkt-joding vil si å føe alle jodfobindelse sepaat til et felles jodingpunkt (stjenenett). Det fungee ba på lave fekvense. I digitale ketse og ved høyee fekvense e det vanlig å buke flepunkt-joding. Dette utføes ofte som et maskenettvek hvo en ha flee veie til jod fo å få lav impedans. Hybid-joding vil si en kombinasjon av de foegående metodene ved hjelp av eaktive komponente. I systeme som ha en viss utstekning (med lange kable) kan det lett bli potensialfoskjelle. Det kan da gå stoe stømme desom en ha jodsløyfe. Dette han en løse ved buk av kondensatoe. Disse blokkee likestøm og lave fekvense,

2 men kan på høyee fekvense gi en effektiv joding (flepunkt-joding) som kotslutte jodsløyfe (se figu 6.6 i læeboka). f) Hvofo tenge pesonen som legge ut mønstekotet me infomasjon enn bae ketsskjema fo å lage et godt utlegg med hensyn på EMC? Sva: Selve ketskjemaet gi ikke infomasjon om hvo ledningsmønsteet skal gå, hvilke dele som e følsomme, hvo det gå stoe stømme etc. g) Hva e hovedhensikten med et jodplan i EMC-sammenheng? Sva: Hovedhensikten med et jodplan i EMC-sammenheng e å lage kote jodsløyfe (med lite aeal og lav impedans). Poenget e ikke skjemingseffekten. h) Hva e hovedhensikten med oveflateteknologi (OMT/SMT)? Sva: Hovedhensikten med et oveflateteknologi i EMC sammenheng e å lage kote jodsløyfe fodi små komponente bety minde aeal. OPPGAVE 2 Som en tommelfingeegel kan vi egne at vi ha 1nH/mm i en ledning. Anta at elativ hastighet på 0,67c (c = lyshastigheten) på ledningen. Anta 0,1 ohm/m. Vi ha en joding som e 10mm lang. a) Beegn hvilken impedans denne ledningen ha ved 1 GHz (se bot fa skinneffekten). Sva: Impedansen i ledningen: Z = R + jωl, L = 1nH/mm 10mm = 10nH Z = 0,1 0,01 + j 2π = 0,001 + j62,8ω b) Ved hvilken fekvens vi denne ha uendelig impedans? Sva: Nå en ledning e en halv bølgelengde lang, λ/2, ha den paallellesonans og impedansen e svæt høy. λ/2 = 10mm 0,67 λ = 2 10mm 0,67 = 2 0,01 0,67 m = 0,0134m. På gunn av at stømmen bevege seg saktee på ledningen vil bølgelengden bli kotee på ledningen enn i fitt om. En bølgelengde på 13,4mm tilsvae fekvensen: f = c/λ = /0,0134=22,4GHz OPPGAVE 3 En sylindisk ulleblokkondensato ha lengden 20mm, diamete 10mm, tilledninge i hve ende med diamete 0,3mm og lengde 5mm hve. Buk fomel fo selvinduktans til ette ledee (appendiks C5) og beegn selvinduktansen fo kondensatoen med tilledningene. Sva: Induktansen i en ett ledning med lengde l og diamete d: L = 0,002 l (ln(4l/d) ) µh fo l, d in cm (Appendix C5) Induktansen i ledningene (2 stk á 0,5cm): L 1 =2{0,002 0,5 (ln(4 0,5/0,03) )} µh = 0,0069µH = 6,9nH Induktansen i ulleblokka: (2cm): L 2 = 0,002 2 (ln(4 2/1) ) µh = 0,0053µH = 5,3nH Induktansen til hele kondensatoen: L = L 1 + L 2 = 6,9nH + 5,3nH = 12,2nH

3 OPPGAVE 4 20cm IC1 signallede 6cm 0V-lede IC2 Figuen vise et utsnitt av ledningsføingen på et ketskot som ha vist seg å væe følsomt fo fostyelse fa adiosendee. Anta at signallede og jodlede (0V) tilsammen kan betaktes som ei ammeantenne (loopantenne) med én vinding tilkoblet inngangen på IC2. a) Beegn maksimal induset spenning i antenna nå ketskotet utsettes fo et elektomagnetisk felt (fa en 900MHz mobiltelefon) med elektisk feltstyke E=1V/m. Sva: Induset spenning i sløyfa: µ 0 µ 4π Ui = f A E = ,23 V dφ d[ µ 0 µ H( t) A] Utledning av fomelen: Ui () t = = = µ 0 µ dt dt Anta at: Ht () H dh = sin( 2π ft ), dt i i = 2πfH sin( 2πft ), U () t = µ A f H 0 µ 2π ()cos( t 2πft ) = U cos( 2π ft ) E Ui = µ 0 µ A 2π f H () t thee H = 120π E µ 0 µ Ui = µ 0 µ A 2π f = f A E 120π 60 A dh dt GSM telefonene et tidsmultiplekset. Dvs at at denne telefonen ha e tidsluke (av totalt 8 tidsluke). Vaigheten av en tidsluka e 0,577ms. Systemet våt e båndbegenset til audio-omådet så ingen fekvense ove 3,4 khz vil gjengis. Det vise seg at ketsen vå ha et likeettende element som plukke opp tidsmultipleksfekvensen. b) Hvilken fekvens se (eventuelt høe) vi i ketsen vå? Sva: Peiodetiden fo epetisjonen av tidsluka e åtte gange så lang som tidsluka. 0,577ms En peiode: τ = 0, s 8 = 0,0046s Repetisjonsaten som kan ses/høes i ketsen vå: f = 1/τ f = 1/0,0046s = 217 Hz

4 OPPGAVE 5 Vi ha en dålig konstuet fosteke, se figu. Figuen gi et bilde av fysisk plasseing av de enkelte jodfobindelse i ketsen. Anta at de fie jodfobindelsene (lengst til venste) ligge på ekke med 20mm avstand mellom hve. Jodfobindelsen e en kobbebane med bedde 1 mm og tykkelse 35µm. Vcc e stømfosyningen. Vs e signalspenningen (20mV). RL e lasten. Den digitale ketsen ha et stømtekk som vaiee med svitsjingen. Se figu fo stømtekk. Vcc Vs R Digital cicuit L a) Fokla hvofo dette utlegget e så ugunstig. Hva kan vi gjøe fo å fobede utlegget. Sva: Fodi stømmen til lasten gå i samme jodlede som inngangsketsen (2-3), vil vaiasjonen i stømtekket føe til en spenning mellom kilden (2) og efeansepunktet fo fostekeen (3). Denne spenningen vil bli fosteket av fostekeen. Det samme vil også væe tilfelle fo den stømmen som den digitale ketsen buke. Fo å fobede ketsen bø vi flytte jodledningen til stømfosyningen (Vcc) til punktet (4) om mulig. Den digitale ketsen vil da ikke ha noen felles jodlede med lasten R helle. b) Det vise seg at ketsen fostye seg selv. Beegn hvo mye støyspenning vi få inn på inngangen av fostekeen. Buk [Sm] fo ledningsevne fo kobbe. Anta at induktans kan beegnes som fo fo en ett lede (appendiks C5) med diamete 1mm. l Sva: Motstand R Cu i 20mm bli: RCu = hvo l = lengde, w =bedde h= høyde σ w h av ledningsbanen, σ Cu = konduktivitet til kobbe. R Cu = , Vi kan nå beegne induktivtet til ledningsbanen: = 001, Ω. Vi se at det ohmske tapet e svæt lavt. Induktiviteten til ledeen (2cm): L 1 =0,002 2 (ln(4 2/0,1) ) µh = 0,0145µH = 14,5nH Støyen på gunn av vaiasjone i stømmen i lasten kan ikke beegnes da det ikke e oppgitt noen vedie. Men støy på gunn av den digitale ketsen kan beegnes. Vi ha en stømgadient di/dt som skape pobleme fo oss. Den esulteende spenning på kabelen e: V L = -L di/dt. di/dt e 1mA/ns som e 10 6 A/s. Spenning ove inngangen (2-3) e: V L =14, = 0,0145V.

5 c) Videe vise det seg at ketsen ståle ut støy via kabelen til RL. Beegn maksimale spenningspulse som bli ovelaget signalspenningen i kabelen på gunn av jodledningen. Se bot fa det som komme via fostekeen. Sva: Jodledeen som involvee lasten R (1-4) e 6 cm lang, følgelig må spenningsfallet he bli te gange så sto som i 2cm. Spenning på kabelen: V c =3 0,0145V = 0,043V Dette e sannsynligvis ikke nok til å skape kaftig utståling, men det vil også avhenge av kabellengden. Desom fostekeen kan fosteke pulsene (sto nok båndbedde), kan fostyelsen på inngangen esultee i kaftige pulse i kabelen. d) Skisse tidsfoløpet av støyspenningen som oppstå i jodledningen. Sva : 0,044V -0,044V 10mA 0mA 10ns 1000ns 10ns t e) Hvo høyt i fekvens kan vi egne med å ha fekvenskomponente som ha betyding. Anta at komponente som e dempet med me enn 20 db i fohold til den gunnhamonisk e uinteessante. (Appendiks C7) A 20dB/decade f=1/(πt ) 1/T f Sva: Statfekvensen (gunnhamonisk) e f = 1/T =1/1000ns = 1MHz Fekvenskomponentene vil ligge med 1MHz avstand oppove i fekvens. Amplituden (asymptoten) dempes med 20dB/dekade inntil f = 1/(π t ) = 1/(π 10ns) =31,8MHz. Ette en dekade ha vi 20dB eduksjon, så den høyeste fekvens som fostye e da 10MHz i våt tilfelle.

6 Refeanse: [1] Tim Williams: EMC fo Poduct Designes (3. edition). Newnes 2001, ISBN