Forhåndstesting av ledningsbundet utstråling fra DC-forsyningskretser Av Paul Lee, Director of Engineering, Murata Power Solutions Det er relativt vanlig at designere av kraftforsyninger (PSU) arbeider sammen med en kretsdesigner for å realisere et systemdesign som skal være I samsvar med internasjonale EMC-reguleringer. PSU-designere vil være meget oppmerksomme på kravene til at kraftforsyningen skal gi ren DCspenning og ikke forstyrre vekselstrømnettet. De har imidlertid ikke alltid oversikt over støyen som potensielt kan påtrykkes strømnettet gjennom PSUen på grunn av målkretsen. Likeledes vet ikke alltid kretsdesignerne (digital eler analog) hvilken dempming PSUen kan ivareta. Målet for denne artikkelen er å bygge en bro over dette kunnskapsgapet, og tilby en metode for å teste DC-kretsen isolert fra sin endelige PSU og muliggjøre spesifisering av ekstra filtrering. Eksemplene som presenteres her er rettet mot følgende EMC standarder: FCC 15J/SUB Part B, VDE 0871, CISPR 16, CISPR 22, EN 55022, EC Directive 2004/108/EC. Begrensinger forhåndstesting (pre-compliance) Der er ingen spesifiserte EMC grenselinjer for DC-skinner, derfor er det ingen spesifiserte tester, for eksempel i EC- eller CENELEC-reguleringer, som kan anvendes direkte i denne situasjonen. Likeledes kan en PSU og kratsen som forsynes med DC-spenning betraktes som et subsystem, muligens også som komponenter; med det resultat at de kan utgjøre unntak fra EC-direktivet. Testene som gjøres kan derfor kun betraktes som forhåndstester (såkalt precompliance), dvs. at sluttsystemet uansett må gjennom en komplett samsvarstest for full CE-sertifisering. Men dersom systemet skal sertifiseres via produsenterklæring eller såkalt teknisk konstruksjonsfil (TCF), kan de individuelle forhåndstestene brukes som del av TCF.
Standard testmetoder for DC-forsynte kretser Dersom man ikke har en spesifikk EN standard bruker man den nærmeste ekvivalente teststandarden til de eksisterende EMC-reguleringene for utstråling via strømnettet. Påvirkning på inngangen fjernes fra systemet som er koplet til vekselstrømnettet gjennom bruk av et stabiliseringsnettverk for linjeimpedansen (LISN) på både aktive og nøytrale linjer, med referanse til jording på hovednettet som jordplan. Når det gjelder vår testmetode, vil vi bruke denne tilnærmingen for testing av DC-forsynte kretser. Med en passende DC PSU, filtreres både positive- og jord- (eventuelt 0 V) linjer med en jordet LISN. Hver LISN er konstruert i samsvar med CISPR 16 for 50 Ω / 50 μh linjeimpedans (se Figur 1). Figur 1: CISPR16 LISN-krets Dersom den DC-forsynte kretsen ikke har noen direkte jordforbindelse, går veien for støy i jordplanet via tilfeldige kapasitanser til jord. Disse kan oppstå fra den fysiske innkapslingen til kretsen, eksterne ledninger eller gjennom perifere laster eller kretser som er tilkoplet. Støymålinger vil i dette tilfellet kun være relative. Vær nøye med å dokumentere testoppsettet nøyaktig for å muliggjøre sammenlignbare målinger senere. Merk at selv om hensikten med målingen er common mode støy, vil selv uten tilfeldige kapasitanser fra jord
til kretsen under test en tilkolet LISN som møter CISPR 16 gi ut et signal som er halvparten av det differensielle støynivået fra dens RF monitor. Skjerming Den DC-drevne kretsen som testes (CUT), LISN samt alle kablene som forbinder måleutstyr, laster og forsyningskabler bør skjermes dersom dette er mulig. Skjermingen skal forhindre eventuelle innslag på kabler og CUT fra eksterne EMC kilder (som for eksempel annet utstyr i nærheten, utstråling fra PSU osv). Skjermingen har igjen referanse til jord på hovednettet. Når man måler små kretser eller individuelle komponenter, kan hele enheten ofte plasseres i en metallkapsling for testing. Alle kraftinnganger og testpunkter bør gå via skjermede kontakter, fortrinnsvis høyfrekvens BNC typer. LISN bør være skjermet og eksternt plassert i forhold til kapslingen som inneholder testkretsen (se Figur 2 der en DC-DC omformer utgjør kretsen under test). Figur 2 Testoppsett
Eksempel på DC målkrets under test Det finnes utallige kretskonfigurasjoner som kunne vært brukt som eksempler på testkretser. For denne artikkelen bruker vi en kortbasert DC-DC omformer med en resistiv utgangslast. Kortbaserte DC-DC omformere er et vanlig innslag på mange PC-kort, og i instrumenterings- og prosesstyringsutstyr. Fordelen ved å bruke en DC-DC omformer som eksempel er at den har en kjent, karakteristisk svitsjefrekvens (se Figur 3), slik at det er enkelt å oppnå et stabilt støyspektrum. Figur 3 Svitsjede spektrallinjer for NMS1212 Når det gjelder vårt eksempel som beskrives i detalj nedenfor, benyttet vi som DC-DC omformer en Murata Power Solutions NMS1212C, med 12 V inngang, 12 V dobbel utgang og effekt på totalt 2 W. Typisk svitsjefrekvens for denne er 35 khz. Komponenten har et antall linjespekter under den nedre ECgrensefrekvensen for ledningsbaserte utsrålinger (150 khz), og har ingen underharmoniske under sin basis svitsjefrekvens. Kretsforhold For å sikre at CUT utsettes for worst-case forhold for EMC, kreves det kunnskap om hvordan kretsen fungerer, dermed er CUT designeren som regel den beste til å spesifisere disse. Når det gjelder NMS DC-DC omformeren, er worst-case ved full last (dvs. 2 W
utgang) med maksimal inngangsspenning (se Figur 4), selv om inngangsspenningen i praksis har minimal påvirkning innen sin tillatte toleranse. Andre worst-case forhold kan være vanskelige å få til (f.eks. høy temperatur, se Figur 5) av hensyn til testmiljøets natur. Imidlertid bør man vurdere hvordan noen av disse forholdene kan påvirke EMC-ytelsen. Figur 4 Inngangsspenningens virkning på svitsjefrekvensen NMS1212C Where circuit loading conditions and their effect on EMC are not known, tests can be done in-situ on the CUT prior to the pre-compliance test. Båndbreddeoppløsning og observerte spektra Et av de første problemene kan være å bestemme oppløsning på båndbredde som trengs for forhåndstesten. For å opprettholde kompatibilitet med ECdirektivet for utstråling fra hovednettet bør man bruke en båndbredde oppløsning (RBW) på 9 khz for måling av ledningsbundet støy. I kretser med kun noen få linjeutstrålinger kan dette være egnet, men med analoge prosesseringskretser eller asynkron logikk vil det trolig være noen bredbånds spektra. Det er også mulig at individuelle linjespektra kan endre seg med belastningen, men innen en forhåndsdefinert ramme å utvide RBW kan innbefatte denne rammen. Om vi ser på NMS-eksemplet igjen, er dette en firkantbølgebasert push-pull omformer med to hovedresponser, en ved svitsjefrekvensen (35 khz) og en
annen ved dobbel svitsjefrekvens (reflektert fullbølge likeretting, se figur 3). Det er også harmoniske av disse over hele utstrålingsspekteret (som faller betraktelig ved 5 MHz, se Figur 6). I det interessante frekvensområdet, mellom 150 khz og 30 MHz, er det derfor 853 individuelle linjespektra dersom benytter 9 khz RBW. Variasjon i komponenttoleranser, inngangsspenning og belastning kan endre driftsfrekvensen så mye som 20 %, dermed kan mer enn 200 ekstra linjer legges til eller trekkes fra. Totalt sett ser rammen ut til å forbli relativt konstant, så kun ved å utvide RBW til 120 khz gis rammefunksjonen og ikke de individuelle spektra (se Figur 7). Informasjonen blir nå enklere å forstå og mulige variasjoner bør kunne ivaretas ved hjelp av denne rammen. Figur 5 Temperaturvirkning på svitsjefrekvensen (NMS1212C) Figur 6 NMS1212 utstrålinger med 9 khz RBW
Figur 7 NMS1212 utstrålinger med 120 khz RBW Å utvide RBW bør kun gjøres i situasjoner der det er bredbåndsstøy eller et stort antall nærstående individuelle spektra. Dette vil ikke være nødvendig i de fleste typer kretser. Merk at ved bruk av spektrumanalysator vil det effektive støygulvet heves når RBW utvides, og viske ut målt støy på lavere nivå. Vi vil anbefale å alltid prøve ut det smaleste RBW først, og så utvide ved behov. Deteksjonsmetoder for spektra Det finnes tre vanlige metoder for å måle amplityden på ledete linjespektra; peakdeteksjon, gjennomsnittsdeteksjon og kvasi-peakdeteksjon. Peakdeteksjon er øyeblikksmålingene av maksimumsamplityden på signalet, best for kontinuerlige bølgespektra og raske snap-shots av utstrålingene. Gjennomsnittsdeteksjon måler den gjennomsnittlige amplityden over en tidsperiode, innenfor målebåndbredden. Kvasi-peakdeteksjon er utformet for å simulere en subjektiv, menneskelig type respons til puls type interferens. Kvasi-peak vekter stige- og falltider på pulseringen til et signal med spesifikke tidskonstanter. Responsen til et kontinuerlig bølgesignal bør være identisk med alle tre deteksjonsmetodene. Mindre hyppig pulset interferens vil være lavere via kvasi-peak deteksjon og høyest ved bruk av peakdeteksjon. Bruk av informasjonen fra utstrålingsspektra
Dersom utstrålingene overskrider ønskede grenser kan du redesigne kretsen eller endre kortutlegget for å redusere støy. Du kan også vurdere å legge til ekstra filtrering på PSU-inngangen til DC-kretsen. Filtrering kan være den rimeligste opsjonen for å få kretsen gjennom forhåndstestene. Dersom redesign vil utgjøre en betydelig investering i tid og penger, kan det enkle grepet å legge til en kondensator eller induktans på inngangslinjen redusere støyen med 20 db ved problemfrekvens til en minimal kostnad. Alternativt kan det hende du til og med må spesifisere overfor PSU-designeren at PSUen må gi en spesifisert støyadempning, 20 db til støy under 1 MHz, for eksempel. Standard EMC grenselinjer kan plasseres som overlag på støyutstrålingene for å bestemme hvilken dempning PSUen krever. Ofte vil ikke dette være like rett-frem som det høres ut - PSU utgangskondensatorer og CUT inngangskondensatorer kan resultere i en betydelig høyere dempning enn det som kan foreslåes med å simpelthen bruke 50 Ω støykilder (PSU og CUT har neppe 50 Ω impedans, eller matchede impedanser). Disse testene er kun tenkt for forhåndstesting, og ytterligere tester med PSUen og kretser i målsystemet vil måtte gjennomføres før man sertifiserer det ferdige produktet. +++Slutt