Kurs: EMC leksjon 5 Stein Øvstedal (steino@iet.hist.no)

Transkript

1 Kurs: EMC leksjon 5 Lærere: Stein Øvstedal (steino@iet.hist.no) Mønsterkortutlegg og jording (Kapittel 6 i læreboka). INNHOLD: 5 Mønsterkortutlegg og jording Innledning Utlegg og jording Systemoppdeling Jording Strømmer i jordsystemet Jordingssystemer Enkeltpunktjording Multipunktjording Hybridjording Impedansen til en jordledning Jordkart Oppsummering Huskeregler Mønsterkortutlegg Ledningsimpedans Maskejord Jordplan Jordplan på dobbeltsidig kort Flerlagskort Krysstale Overflatemontering I/O-jord Adskilt jordplan Helt jordplan Regler for jording

2 5 Mønsterkortutlegg og jording 5.1 Innledning Et utstyr med gode EMC-egenskaper starter med et godt utlegg hvor vi kontrollerer støyen inn og ut av apparatet. Det gjøres først og fremst ved at vi designer inn egenskapene ved å gjøre et riktig utlegg. Støyen på inn- og utganger avledes eller absorberes. Boka trekker analogien med et veisystem i og rundt en by. Trafikk som ikke har noe å gjøre i bykjernen blir sendt på en motorvei rundt byen. Avledningen skjer på tre nivåer: primær, sekundær og tertiær. Riktig konstruksjon Filtrering Skjerming Riktig konstruksjon går ut på at støy ikke stråles ut eller kan stråle inn. Det går blant annet ut på å avkobling, balansering, båndbredde og hastighetskontroll, spesielt kretskortutlegg og jording. Riktig konstruksjon vil ikke koste noe særlig ekstra når vi vet hvilke ting som er viktig når det gjelder utlegget. Sekundærnivået gjelder for alle apparater som har et grensesnitt (ledninger) mot annet utstyr. Her må vi kontrollere støyen inn og ut av utstyret. I praksis vil det si at vi filtrerer inn- og utganger. I den forbindelse er det viktig hva slag konnektorer vi bruker og hvordan vi monterer de, det vil si riktig konnektor og riktig montering. Filtering vil være en ekstra kostnad. Full skjerming (tertiær nivå) er svært dyrt. Dette er ofte nødløsninger ved dårlig konstruerte apparater. Det er ikke alltid lett å kunne forutse suksessen eller ikke ved konstruksjon av et produkt. Vi må ikke gi opp ved første forsøk, men ved hjelp av målinger prøve å finne årsaken til at uakseptabel støy oppstår. Ved endringer i primærdesignet kan en kanskje unngå skjerming. Men det er viktig å kunne være forutseende og sette av muligheten for å skjerme helt eller delvis. Vet å ha jordplan rundt komponenter har vi muligheten til å skjerme kritiske deler med metallbokser. Jordplanet kan da danne bunnen i en skjermboks som settes oppå. Ved støpte plastbokser bør vi tenke på om ledende maling ( coating ) kan være et alternativ. Tenk gjennom konstruksjonen på forhånd og ha en beredskapsplan for å gjøre tiltak. Å skjerme et ferdig produkt som ikke holder mål kan bli en svært dyr løsning. 5.2 Utlegg og jording Det mest kosteffektive er å begynne med plasseringen av komponentene og designe jordingssystemet. Det er ingen ekstrakostnader forbundet med å gjøre riktig plassering av komponentene og jordingen fra start av, snarere tvert i mot. Nesten alle EMC-problemer skyldes dårlig utlegg og feil/dårlig jording. Riktig jording vil føre til utstyret verken stråler eller er følsomt for innstråling (to sider av samme sak). De viktigste prinsippene er: Oppdeling av kretsen etter funksjon for å kontrollere støystrømmene Betrakt jord som en vei for innkommende og utgående støy Betrakt jording som middel til hindre støy for å koble seg til signalledninger/kretser ved riktig plassering av jordpinner. Jordimpedansen må alltid gjøres så lav som mulig. Ledende mekaniske deler vil alltid kunne lede støystrøm. Konstruer slik at disse støystrømmen kobler til signalkretsene. 2

3 5.2.1 Systemoppdeling Første skrittet er å dele opp konstruksjonen. Det er viktig at alle komponenter som tilhører samme funksjon befinner seg på samme geografiske område. Også ledningsføringen og jordingssystemet må befinnes innen samme område. Det er viktig at ledningsføring fra andre deler av konstruksjonen ikke krysser innenfor dette området. På samme måte må vi unngå at ledningsføring til andre enheter (ev. eksterne porter) har lange veier eller krysser inn i andre funksjonsområder. Start med å dele opp i kritiske og ikke-kritiske deler med hensyn på EMC. Kritiske deler er slike kretser som stråler for eksempel raske prosessorer, videokretser med mer. Lavnivå analoge kretser er også kritiske med tanke på innstråling av støy. Ukritiske kretser vil være kretser hvor signalnivå og båndbredder er slik at de ikke er følsomme for støy eller generer støy. Eksempler på ukritiske kretser er lineare strømforsyninger, LF-forsterkere med mer. filter Kritisk krets Ukritisk krets Ukritisk krets Skjermet boks Kritiske deler kan skjermes med en boks. Alle ledninger til og fra enheten må nøye vurderes slik at filtrer der det er fare for at støy kan slippe gjennom. Om vi skal skjerme en hel konstruksjon eller bare deler av den vil variere fra tilfelle til tilfelle, men det gjelder å begrense områdene som skal skjermes og antall ledninger som skal filtreres da kostnaden øker rask. Det er viktig å konsentrere områdene geografisk som skal skjermes og de inn- og utgangene som skal filtreres. Det ideelle fra et EMC-synspunkt er enheter uten tilkoblinger som for eksempel en lommekalkulator eller en infrarød fjernkontroll. Husk at skjermen har to funksjoner. Den skjermer for strålte felter og den er et referansepunkt for returstrømmen til jord. I mange tilfeller er det siste punktet viktigst i EMC-sammenheng. Dersom vi har et helt jordplan kan vi i svært ofte klare oss uten et lukket skjermbur Jording Med jording kan vi mene flere ting. På engelsk brukes begrepene grounding og earthing. Læreboka vår (engelsk i motsetning til amerikansk) bruker earthing når det er snakk om sikkerhetsjord. Ground brukes om jordfunksjonen i EMC-sammenheng. Den vanlige omtalen av jord er et referansepunkt for ekstern tilknytning til utstyret. Den klassiske definisjonen at jord er et ekvipotensialpunkt eller plan blir lite meningsfullt når det flyter en 3

4 jordstrøm. Selv om signalstrømmen er ubetydelig vil induserte jordstrømmer på grunn av eksterne elektriske og magnetiske felter gi opphav til skift i jordpotensialet. Et godt jordingssystem vil minimalisere effekten av dette, men kan ikke oppheve den. Enkelte ønsker av den grunn å bruke referansepunkt som betegnelse. En alternativ definisjon er et lavimpedansvei hvor strømmen kan returnere til kilden. Denne definisjonen påpeker at returveien må være lavimpedans også for RF (radiofrekvenser). Jordstrømmen sirkulerer som en del av ei sløyfe. Det gjelder å gjøre denne sløyfa så liten som mulig (NB). Dette gjøres med å lage designet så kompakt som mulig. Et jordplan vil gjøre at sløyfearealet blir lite og at jordimpedansen blir lav. Dette er de to viktigste egenskapene ved et jordplan fra et EMCsynspunkt og ikke skjermegenskaper Strømmer i jordsystemet jordreferanse Vcc Vs R L Z 1 Z 2 Z V N Strømforsyning 230VAC Vs R L Z 1 Z 2 Z 3 Ekstern indusert støy 4 V N Strømforsyning 230VAC Vs R L Z 1 Z 2 Z Ekstern indusert 3 støy L V N 4

5 Når vi skal lage et utlegg må vi kjenne hvor strømmene går. De tre foregående figurene illustrer et fysisk utlegg av en jordledning. De to første figurene viser uheldige konstruksjoner som kan føre til EMC-problemer og den siste figuren viser hvordan vi kan forbedre designet vårt. Den første figuren viser hvordan den høye laststrømmen føres tilbake til strømforsyningsenheten gjennom jordimpedansene Z 1, Z 2 og Z 3 fra punkt 4 til 1. Vanligvis vil ikke dette føre til oscillasjon eller ustabiliteter i forsterkeren, Spenningen vil påvirke inngangsignal og følgelig også utgangssignalet. Spenningen som genereres vil kunne føre til utstråling av støy eller at felter utenfra kan indusere støy i disse lederne og gi spenning over impedansene. Det er som regel ikke den ohmske motstanden som er et problem, men induktansen i lederne. Jo raskere strømvariasjonen skjer jo større indusert spenning (U = - L di/dt. Som en tommelfingerregel bruker vi ofte 1nF/mm som en tilnærming for induktansen). Det vil si at jo høyere frekvensen er jo større blir problemet med støystrømmer i jordsystemet. I den andre figuren har vi nettilkobling og vi ser at dersom vi har en tilkobling til lasten som danner ei sløyfe kan vi for eksempel få indusert spenning som også kan koble seg til strømnettet via strøkapasitanser i strømforsyningsdelen. På samme måte kan vi få nettstøy inn på utstyret vårt. Av den siste figuren ser vi hvordan vi kan minimalisere virkningen av laststrømmen i jordsystemet. Vi har ingen returstrøm fra lasten gjennom Z 2 og bare laststrøm i en liten brøkdel av Z 3 som er representert ved lengden L. Punkt 2, 3 og 4 bør være tett så sammen som mulig. På et kretsskjema vil vi ikke kunne se forskjell på den andre og tredje kretsen, men den fysisk utformingen og egenskapene vil være høyst forskjellige. Å bruke jordplan vil gjøre at jordimpedansene blir svært lave, men vi har ikke muligheten til å styre hvor strømmene går. Ved en fornuftig plassering av komponenter og ytre tilkoblinger vil det bli gode løsninger, men et ekstra plan vil medføre ekstra kostnader Jordingssystemer Det er tre måter å utforme et jordingssystem på: Enkeltpunktjording Multipunktjording Hybridjording (blanding av de to foregående) Disse og lignende kan illustreres ved følgende tegninger: Analog Digital Strømforsyning DC/DComformer Analog Digital Digital Analog Enkeltpunktjording Strømforsyning Strømforsyning DC/DComformer Modifisert enkeltpunktjording 5

6 Multipunktjording i digitaldel Lavnivå analog Drivere Digital Chassis Digital Digital Bredbånd analog Hybrid jordingskondensator Bredbånd analog Multipunkt- og hybridjording Enkeltpunktjording Enkeltpunktjording er en enkel måte å eliminere felles jordveier og jordsløyfer. Dette fungerer godt ved lave frekvenser. Hver krets eller enhet har et felles jordingspunkt i kabinettet. Dette fungerer bra opp i MHz-området (<10MHz). Etter hvert som frekvensen øker også common mode -spenningen mellom enhetene. Når avstanden til jord blir stor målt i antall bølgelengder, vil vi ved λ/4 (og odde multiplum) få uendelig impedans som vi isolere kretsen fra jord. Dessuten vil strøkapasitanser gjøre at returstrømmen tar andre veier enn vi har planlagt slik at enkeltpunktjording slutter å fungere. Ofte brukes modifisert enkeltpunktjord hvor en lar moduler av samme slag jordes sammen lokalt før en felles jordleder føres til referansepunktet. Her tillater vi felles jordingsimpedanser hvor det ikke vil være et problem. De mest støyende kretsene plasseres nærmest referansepunktet slik at common mode - spenningen blir minimalisert. På digitalkretser er det vanlig internt å ha multipunktjording for å få lav jordingsimpedans. Ut fra digitalmodulen føres det så en leder til referansepunktet for jord Multipunktjording Hybrid- og multipunktjording løser RF-problemene som oppstår ved enkeltpunktjording. Multipunktjording er nødvendig for digitalkretser og større høyfrekvenskretser. Kretser og moduler bindes sammen med mange korte ledere (< 0,1λ) for å få lav jordingsimpedans og lave common mode -spenninger. Alternativer er å bruke jording til chassis eller jordplan med mange forbindelser. Det er ikke alltid at dette er løsningen for følsomme audiokretser hvor nettfrekvensen (50Hz) kan kobles magnetisk i jordsløyfene. Utbalansering kan da være en mulig løsning. Jordingen fra et multipunktsystem føres til et referansepunkt når det inngår som en del av et større system Hybridjording Hybridjording bruker reaktive komponenter (kondensatorer og spoler) for få jordingssystemet til oppføre seg forskjellig ved lave og høye frekvenser. Dette er ofte nødvendig ved analoge bredbåndskretser. Jordforbindelsen mellom de to analogenhetene i figuren (som viser hybridjording) vil jordes til chassis med jevne mellomrom for ikke å få stående bølger ved 6

7 høye frekvenser. Ved lave frekvenser og likestrøm vil kondensatorene blokkere slik at vi ikke får jordsløyfer mellom enhetene. Alle kondensatorer har også en selvinduktans. Denne ønsker vi skal være så liten som mulig slik at kondensatoren virker som en kondensator (lav induktans) ved høye frekvenser. Derfor gjelder det å velge riktig type kondensator som ikke har for høy kapasitans. Kondensatorer i området nF har høy nok kapasitans samtidig som induktansen er lav. Det er viktig å ha korte bein eller overflatemonterte kondensatorer for å få minimalisert induktansen Impedansen til en jordledning Når vi har en jordledning av en viss lengde vil den ved høyere frekvenser kunne betraktes som ei transmisjonslinje med karakteristisk impedans Z 0 bestemt av L,C,R og G (linjeparametrene). Ser vi på ei linje som en elektronisk krets, så har den serieresistans og serieinduktivitet som utgjør serieimpedansen til linja. Ledningsevne (konduktansen) til dielektrikumet og kapasitansen utgjør shuntadmittansen til linja. En liten lengde av linja x kan representeres som et filternettverk. De distribuerte R, L, C og G kan samles i diskrete elementer. Disse elementene kalles for linjekonstantene. De kalles også primærkonstantene i motsetning til linjeimpedans og forplantningskonstant som kalles sekundærkonstanter. Benevning for elementene: R[Ω/m], L[H/m], C[F/m] og G[S/m]. x R x L x C x G x C x G x Fig. Modell av et lite stykke av en transmisjonslinje. Linjekonstantene varierer ikke med strøm og spenning. R, L, C og G er noe avhengig av frekvens. R øker med økende frekvens pga strømfortrengningen. G øker med økende frekvens. Shuntmotstanden avtar, dvs at dielektriske tap øker. L og C er omtrent uendret. Ingen enkle formler beskriver linjekonstantene som dekker alle frekvensområder. Men forenklinger kan gjøres ved veldefinerte bruksområder som LF og HF. Ved HF angir vi en karakteristisk impedans, Z 0, gitt av serieimpedansen og shuntkapasitansen. Ved likestrøm vil R i linja bestemme impedansen. Ved økende frekvens vil impedansens øke raskt. Ved en gitt frekvens vil vi få en maksimal impedans (ved resonans). Ved multipler av denne frekvensen vil vi få nye topper. For at ledningen skal fungere som en effektiv jording må den ikke være lenger enn 1/20 λ av den høyeste frekvensen Jordkart Et godt verktøy for å lykkes med en jordingsstrategi er å lage et kart som viser alle jordreferansene og jordingsveiene i systemet (via kabelskjerm, printbaner og ledninger). Dette kartet konsenterer seg kun om jording slik at de andre funksjonene utelates eller tegnes blokkskjematisk. 7

8 Oppsummering For frekvenser opp til 1MHz kan enkeltpunktjording brukes og foretrekkes ofte. For frekvenser over 10 MHz vil ikke enkeltpunktjording fungere på grunn av at impedansens i jordledningen øker. Videre vil returstrømmen gå snarveier via strøkapasitanser. Ved høye frekvenser er multipunktjording og jordplan ofte løsningen. Ved spesielt følsomme kretser kan magnetisk induksjon være et problem som kan kreve spesielle løsninger. For EMC-formål må kretsene ha høy immunitet mot RF-innstråling selv kretsen kun operer på lave frekvenser. Det betyr at jording som er utsatt for støy, og spesielt koblinger mot utenverdenen ( interface ) har multipunktjording. Korte jordinger til et jordplan eller jordplate vil gi lav impedans og små sløyfer Huskeregler Alle ledere har en endelig impedans som øker med frekvensen To adskilte jordingpunkter har ikke samme potensial, unntatt når det ikke det ikke går strøm. Ved høye frekvenser eksisterer det ikke enkeltpunktjord. 5.3 Mønsterkortutlegg Måten et mønsterkort legges ut på har stor betydning for hvordan det vil fungere i EMCsammenheng. De tidligere skisserte punktene må følges: Oppdeling av kretsfunksjoner, oppdeling av jordingsystem, kontroll av kobling mot eksterne kretser med mer. Viktig informasjon må ligge med tegningene slik at den som skal gjøre utlegget kan gjøre det rett. En del ganger må vi overstyre et automatisk utleggsystem. For eksempel må høyfrekvenssignaler føres nær returledingen. Ofte vil det være fornuftig å starte med jord (og spenningstilførsel) før vi starter med resten av utlegget. Informasjon som må gis til utleggspersonen: Fysisk oppdeling av funksjonene på kortet Plassering av følsomme kompontenter og I/O-porter Hvilke av jordreferansepunkter som skal brukes og forbindelser til disse Hvor referansepunktene kan knyttes sammen og hvor de ikke kan knyttes sammen Hvilke signaler som må føres nær returledning og andre begrensninger på signalføring Ledningsimpedans Det er to måter å redusere ledningsimpedansen på: Minimaliser lengden og øk bredden La returledningen gå nær denne Induktansen er først og fremst en funksjon av lengden, l. En grov tilnærming er ca 1nH/mm. Induktansen er også avhengig av bredden, d. For en enkel leder er induktansen: 4 L = 0,0051 l (ln 0,75)[ µ H ] d Maskejord Ved digitale konstruksjoner som innholder mange kretser ligger på for eksempel som en matrise er det omtrent umulig å lage en egen returvei for hver krets. I slike tilfeller lager vi gjerne ei maskejord som et rutenett rundt kretsene. 8

9 IC IC IC IC IC IC Fig. Maskejord De mest støyende og strømkrevende kretsene plasseres nærmest ekstern jordtilkobling. Dersom det er en høyfrekvente signalleder vil det lønnes seg å føre en ekstra jordleder parallelt og nær denne enten på samme side eller på motsatt side av kortet Jordplan Grensetilfellet for kort med maskejord med uendelig mange parallelle ledere vil være et kort med en leder som dekker hele planet. Enkleste måten å realisere det på er å bruke et flerlagskort med 4 eller flere lag. Et av lagene vil da som regel bli brukt som spenningstilførsel. Et jordplan vil by på mange fordeler bortsett fra at det er en dyrere løsning. Det vil alltid være kort vei til jord slik at sløyfeareal og jordimpedans blir minimalisert. Dette er som regel den beste løsningen for RF-kretser og høyhastighetslogikk. Ved flerlagskort oppnår vi stor pakketetthet. Alle linjer vil ha konstant impedans gitt av bredde når kortet er valgt (tykkelse og dielektrikum). Skjermingseffekten er av mindre betydning. Å legge jordplan og spenningsplan på yttersidene på et firelagskort vil komplisere testingen og mulighetene for å modifisere designet. Når det gjelder kritiske signalledninger så bør vi unngå å plassere disse nær kanten av kortet da returimpedansen er høyere der enn lenger inne på kortet. Læreboka oppgir følgende formel for returinduktansen: L = 5 d/w [nh], w er bredden på jordplanet og d er avstanden mellom signalleder og jord når lengden på signallederen er mye større enn d Jordplan på dobbeltsidig kort Jordplan på dobbeltsidig kort er også fullt mulig. Hovedsaken er ikke å fylle alt ledig areal med kobber, men å passe på at det ligger jord under alle signalledere. Returstrømmen vil ikke gå den geometrisk korteste veien, men vil følge signalveien på oversiden mest mulig. Delvis jordplan. To ledere som fører strøm i motsatt retning (signal og retur) vil ha L = L1 + L2-2M M er gjensidig induktans. M er invers proporsjonal av avstanden mellom lederne enten de er på samme side (coplanar) eller på motsatt side av kortet. For to ledere som fører strøm i samme retning vil være gitt av: L = (L + M)/2. Her vil L øke med avtagende avstanden. I det tilfellet at vi har jordplanet som returleder vil det følgelig være slik at vi må minske avstanden for å minimalisere induktansen og arealet på sløyfearealet. På et tosidig kort er avstanden bestemt av tykkelsen av kortet. For enkeltsidige kort kan ofte den mest kosteffektive metoden å forbedre designet på være å bruke et tosidig kort med jordplan. Dette vil øke RF- og transientimmuniteten merkbart. Ofte kan vi legge jordplanet på oversiden at et eksisterende design uten å gjøre noen endringer på ledningsføringen. Det er viktig at jordplanet forbindes med 0V på undersiden minst på et punkt med viahull, men helst på mange steder. 9

10 En ytterlig forbedring vil være fjerne jordlederne på mønstersiden. Dette frigjør plass slik at det blir mulig å plassere komponenter og lederne tettere slik at vi kan få et mer kompakt utlegg. Dette vil føre til mindre sløyfearealer og større immunitet mot RF-støy. Det er viktig at det ikke er brudd i jordplanet. Ei slisse på tvers av det strømmen flyter vil oppheve mye virkningen som et ubrutt jordplan har. Dersom vi har en kritisk signalledning som krysser på ledningssiden må vi prøve å legge en jordforbindelse over slissen over/under signallederen. Derfor vil det være enklere å bruke flere plan slik at en kan operer med ubrutt jordplan selv om kostnadene øker med antall lag. Dersom vi lar en leder gå mellom beina på en DIL-pakke (Dual In Line) vil det kanskje ikke være noe jordplan som går mellom beina. Da vil det være viktig å lage en returledning som smetter mellom beina selv om den er tynn. Dette koster ingenting ekstra, men vil kunne gi mange db økt immunitet Flerlagskort Flerlagskort kan ha flere jordplan og spenningsplan. Når det gjelder kritiske ledninger bør de refereres til et jordplan og ikke et spenningsplan. Vi bør også unngå at ledningen går på forskjellig side av jordplanet eventuelt skifter til et annet jordplan ved å gå gjennom viahull Krysstale Krysstale (cross talk) oppstår når to signalledere løper parallelt. Et jordplan et effektivt middel for bekjempe krysstale. Det vil kunne redusere krysstalen til en 40-70dB dempning Overflatemontering Bruk av overflatemonterte komponenter krever mindre plass enn hullmonterte. Det gjør at vi får et mer kompakt utlegg og mindre sløyfearealer. Følgelig vil overflateteknologi være med på å forbedre EMC-egenskapene. Sammen med flerlagskort vil dette kunne gi svært gode design I/O-jord Ved eksterne tilkoblinger vil det være lurt å samle de geografisk og bruke et egen jordplan. Dette jordplanet er kun knyttet til resten av kretsen i kun et punkt Adskilt jordplan Når en skal koble sammen analog og digital teknologi på samme kort er det to skoler. En retning sier at vi da bør operere med adskilte jordplan og knytte de samme ved A/Domformeren i et enkelt punkt. Den beste metoden er imidlertid å ha et galvanisk skille for eksempel en optokopler Helt jordplan Den andre retningen holder seg til at det bør være et ubrutt jordplan for hele kretsen. Det kan være vanskelig å lykkes med både analog og digital teknologi på samme plan, men med kløktig design kan det være fullt mulig. Det er opp til den enkelte designer å velge strategi Regler for jording Identifiser kretser med raske stigetider og høynivåoscillatorer Identifiser følsømme kretser: lavnivå analog og hurtige digitalkretser Minimaliser jordimpedansen til disse ved bruke å korte ledere, bruk av jordplan og unngå ledere langs kanten av kortet 10

11 Sikre deg at støy ikke slipper inn eller ut av systemet ditt ved å bruke en støyfri interface-jord. Bruk et jordkart for planlegge jordsystemet. Mer detaljer finnes i læreboka. Forfatter: Stein Øvstedal Referanser: [1] Tim Williams: EMC for Product Designers (3. edition). Newnes 2001, ISBN