HAMEG NARZĘDZIA POMIAROWE EMI

HAMEG NARZĘDZIA POMIAROWE EMI Każdy kto sprzedaje elektroniczne przyrządy lub urządzenia na terenie Unii Europejskiej musi zapewnić aby spełniały one wymagania Unii odnośnie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Dotyczy to zarówno producentów jak i importerów działających na terenie Unii i Islandii, Lichtensztajnu i Norwegii. HAMEG oferuje tanie rozwiązanie problemów związanych z pomiarami emisyjności, które umożliwiają wykonywanie pomiarów na tzw. zgodność. 1

Narzędzia pomiarowe EMI Zakłócenia elektromagnetyczne aktywne i pasywne W związku ze wzrostem częstotliwości pracy i stopniem zintegrowania przyrządów pomiarowych, rosną wymagania, co do ich parametrów technicznych, aby zagwarantować zgodność sprawdzanych za pomocą nich urządzeń elektrycznych i elektronicznych z aktualnymi normami. Zakres częstotliwości, który muszą one pokrywać rozciąga się od 150 khz do 1 GHZ. Koszty niezbędnego do realizacji tych celów sprzętu mogą być znaczne, choć mogą pozostać pod kontrolą, gdy dysponuje się odpowiednią wiedzą, urządzeniami i metodami pomiarowymi. Jakie mogą być koszty zapewnienia zgodności ze standardami EMI? Realizacja zgodności ze standardami EMI nie musi być kosztowna. Jeśli uwzględni się wymagania tych norm już od początku projektowania wyrobu i wykonuje się potrzebne testy w trakcie całego procesu projektowania, to koszty materiałowe podzespołów EMI mogą wynieść od 3 do 5% całkowitych wydatków na materiały. Zaniedbanie zapewnienia zgodności może spowodować znaczny wzrost kosztów, szczególnie wtedy, gdy testy EMI przeprowadzi się już po ukończeniu projektu. W takim wypadku niezbędne środki zapobiegawcze EMI z łatwością mogą pochłonąć od 30 do 50% całkowitych kosztów projektu. Może stać się konieczne rozpocząć cały proces projektowania od nowa, a duże koszty mogą być spowodowane koniecznością wykonania rozszerzonych testów oraz zewnętrznych ekspertyz. Wykonywanie testów zgodności jest zwykle zarezerwowane dla wyspecjalizowanych i dobrze wyposażonych laboratoriów. Potrzebny sprzęt i wykonywane procedury są bardzo kosztowne. Problemy powstają, gdy w trakcie cyklu projektowego staje się konieczne wykonanie swoich własnych testów umożliwiających uzyskanie wystarczającego stopnia zgodności, przy jednocześnie niewielkim wkładzie pracy i zastosowaniu niezbyt kosztownych przyrządów pomiarowych. Aby łatwo pokonać te problemy nie jest niezbędne posiadanie kosztownego sprzętu pomiarowego ani konfigurowanie go w specjalny system pomiarowy spełniający dokładnie wymagania norm. Ważniejsze jest, aby móc szybko zlokalizować krytyczne strefy w układach elektronicznych i instalacjach przewodowych, w których powstają zakłócenia i móc szybko zastosować optymalne pod względem efektywności i koszów środki zaradcze. Oscyloskop lub Pomimo swojej różnorodności oscyloskop nie jest najlepszym wyborem, jeśli chodzi o pomiary EMI. Wyświetli on przebieg sygnału zakłócającego w funkcji czasu, lecz obraz ten nie będzie zawierał linii widmowych. Standardy EMI wymagają pomiarów wartości średniej i kwasi szczytowej. Szerokości pasma pomiarów selektywnych pod względem częstotliwości zależą od częstotliwości. Zakres częstotliwości, który musi pokrywać przyrząd pomiarowy w trakcie pomiaru zakłóceń aktywnych tj. tzw. imisyjności rozciąga się od 150 khz do 1 GHz. Oprócz tej cechy przyrząd pomiarowy musi odznaczać się bardzo dużą czułością, musi mierzyć już od paru μv. Wyświetlanie szerokiego zakresu częstotliwości i wyświetlanie w skali logarytmicznej amplitudy w zakresie 80 db pozwala zarówno na łatwe zlokalizowanie miejsca powstawania problemów jak i podjęcie decyzji, jakie środki zaradcze należy podjąć. Analizator widma i Można łatwo się rozczarować, jeśli oczekuje się spotkać analizator widma w laboratorium konstrukcyjnym. Zwykle tłumaczy się to wysoką ceną takiego urządzenia. Jednak koszt analizatora widma potrzebnego w trakcie projektowania nie musi być odpowiednikiem kosztu samochodu Rolls Royce. Biorąc pod uwagę fakt, że analizatory widma są dziś rzadko stosowane, byłoby korzystne mieć przyrząd, który mógłby być łatwo użyty tj. natychmiast przez każdego konstruktora i to bez lęku oraz czasochłonnego szkolenia. Jest bardzo istotne, aby móc wykonywać pomiary porównawcze szybko i tanio. Poniższy przykład demonstruje jak analizator może szybko się zamortyzować. Wynajęcie wyspecjalizowanego laboratorium na jeden dzień kosztuje 1000 euro lub więcej. Prosty i niedrogi analizator widma zamortyzuje się już po czasie odpowiadającym dwóch, trzem dniom wynajęcia laboratorium. Wynajęcie takiego laboratorium tylko raz powinno być celem każdego kierownictwa zakładu projektowego. 2

Stąd też analizator widma powinien należeć do standardowego wyposażenia każdego laboratorium konstrukcyjnego i stać tuż obok oscyloskopu. Wystarczy tylko raz użyć analizator widma, aby ocenić jego pełną przydatność. Pomiar zakłóceń przewodzonych za pomocą zestawu złożonego z analizatora widma i LISN. Układ stabilizacji impedancji sieci (LISN) Przyrząd ten zaleca się jako wyposażenie dodatkowe każdego analizatora widma w każdym laboratorium konstrukcyjnym i wykonującym testy zgodności. Pozwala on wyizolować, zidentyfikować i ocenić przewodzone zakłócenia w zakresie częstotliwości od 150 khz do 30 MHz. Laboratoria wykonujące testy zgodności stosują LISN w połączeniu ze specjalnym odbiornikiem pomiarowym. Bardziej praktycznym i szybszym rozwiązaniem jest użycie do testów pre-zgodności układu LISN wraz z analizatorem widma. Analizatory widma HAMEG serii 5000 w połączeniu z układem LISN HM6050 oferują otrzymywanie wyników porównywalnych do uzyskiwanych w zewnętrznych laboratoriach. oraz sondy wyczuwające Co zrobić po powrocie z kwitkiem z zewnętrznego laboratorium pomiarowego? Wszystko co udało się dowiedzieć to to, że jest coś co generuje zakłócenia, lecz w którym miejscu? np. zakłócenia w wolnej przestrzeni Zakłócenia mogą być przewodzone lub wypromieniowywane. Normy EMI specyfikują zakres częstotliwości, w którym należy je mierzyć na: od 30 MHz do 1 GHz. Należy oczekiwać, że górna granica tego zakresu wkrótce zostanie przesunięta w górę. Pomiary zakłóceń wypromieniowywanych prowadzi się za pomocą anten i odbiorników pracujących w konfiguracji wolnej od odbić i zakłóceń pochodzących ze strony trzeciej. Większość takich pomiarów wykonuje się w komorach [pomieszczeniach] bezechowych. Takie pomiary mają niewielką skuteczność, są pracochłonne i drogie, jeśli prowadzi się je w fazie projektowania. W praktyce należy dysponować środkami pozwalającymi szybko zidentyfikować źródła interferencji układów a szczególnie te pochodzące z przewodników i okablowania. Chociaż chodzi tu o emisję w wolnej przestrzeni, to dotyczy to głównie przewodów i okablowania pracującego jako anteny. Większość prac prowadzonych w laboratoriach projektowych w związku z EMI, dotyczy zakłóceń emitowanych przez przewodniki. Dysponując odpowiednimi środkami można wykonywać takie pomiary w bezpośredniej bliskości lub obok przewodników przewodzących sygnały, zasilających, uziemiających lub ekranujących. Każdy, kto wykonuje takie pomiary stosując po raz pierwszy do tego celu analizator widma będzie bardzo zaskoczony widząc dość silne sygnały w.cz. na tle wolnego sygnału. Posługując się oscyloskopem nie można wykryć tych zakłóceń, gdyż są on przykryte przez szumy. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez te zakłócenia wykorzystuje przewodnik metaliczny jako prowadnicę skutecznie emitującą dookoła niego zakłócenia. Wystarczającym narzędziem do identyfikacji takich zakłóceń w laboratorium projektowym jest analizator widma i odpowiednia sonda. Wymaga się jednak użycia różnego typu sond. Jak dokładnie testować źródła zakłóceń Do testowania efektów stosowanych środków zaradczych EMI są szczególnie użyteczne sondy wyczuwające. Dostępne sondy wyczuwające pole elektryczne E i magnetyczne H oraz sondy o dużej i małej impedancji pomagają konstruktorom dobrać odpowiedni środek zaradczy EMI. 3

Narzędzia pomiarowe EMI Zestaw pomiarowy HZ530 firmy HAMEG składający się z trzech sond aktywnych (pola E, pola H i o dużej impedancji). Aktywna sonda pola E Aktywna sonda pola E jest przyrządem o szerokim paśmie i wysokiej czułości. Dzięki tym właściwościom może ona służyć do oceny całkowitego promieniowania emitowanego przez pojedyncze moduły lub kompletne zestawy. Typowa odległość pomiaru wynosi od 0,5 do 1,5 m. Można w tych warunkach testować skuteczność powłok ekranujących jak również efekty działania filtrów na wszystkich przewodach i kablach dołączonych do testowanego urządzenia. Ze względu na dużą czułość aktywna sonda pola E może zbierać zakłócenia emitowane przez inne przyrządy znajdujące się w laboratorium. Aby oddzielić wpływ tych przyrządów na wyniki pomiarów, zwykle wykonuje się pierwszy pomiar przy wyłączonym testowanym urządzeniu, odbierając w ten sposób tylko zakłócenia zniekształcające wyniki pomiarów, a następnie wykonując drugi pomiar przy włączonym testowanym urządzeniu i obserwując pojawiające się wtedy sygnały. Wszystkie pomiary wykonywane za pomocą aktywnej sondy pola E są podobne do odległych pomiarów z użyciem anteny i z tego powodu nie zależą od skonfigurowania pomiaru. Duże znaczenie ma wtedy sposób rozmieszczenia przewodów pomiarowych. Jeśli wymaga się powtarzalnych wyników pomiarów, to konieczne jest precyzyjne zdefiniowanie warunków pomiaru, montując ewentualnie wszystkie elementy na jednej płycie. Aktywną sondę pola E można też stosować do analizy zakłóceń pochodzących z otoczenia. W przypadkach, w których takie zakłócenia mogą być obecne, wykryje je wszystkie aktywna sonda pola E współpracująca z analizatorem widma. Ze względu na to, że analizę prowadzi się w domenie częstotliwości, można szybko zidentyfikować źródło zakłóceń. Takie połączenie poprawi też możliwości zestawu pomiarowego pod względem prowadzenia testów EMI i przejdzie z wynikiem pozytywnym drugi test zgodności. Aktywna sonda pola H Obserwowanie prądów zakłóceń jest dobrym sposobem na osiągnięcie sukcesu wtedy, gdy szuka się ich źródeł. Ze względu na to, że do obserwacji zakłóceń używało się dotąd zwykle oscyloskopów, utarł się, zatem zwyczaj obserwowania wyłącznie napięć. Większe sukcesy w dziedzinie EMI osiągnięto jednak obserwując prądy. Aby jednak móc je mierzyć bez przerywania obwodów pomiarowych lub przecinania przewodników na płytkach, trzeba używać do tego celu specjalnych sond, z których jako optymalne można polecić aktywne sondy pola H. Aktywne sondy pola H są sondami typu zbliżeniowego mierzącymi natężenie pola magnetycznego, które przy pomiarze tego typu zależy bezpośrednio od płynącego prądu. Sondy pola H są w dużym stopniu nieczułe na zakłócenia zewnętrzne (zakłócenia ze strony trzeciej). Po umieszczeniu ich w pobliżu źródła zakłóceń, wykazują one znaczny wzrost sygnału wyjściowego. Umożliwiają, zatem bardzo precyzyjne zlokalizowanie takich źródeł. Za pomocą sond pola H można łatwo wykrywać upływności występujące wzdłuż szwów powłok ekranujących np. w otworach. Rosnący stopień integracji elementów na płytkach drukowanych EC powoduje, że trudno zlokalizować źródła zakłóceń za pomocą zwykłych sond pola H. Nadaje się do tego celu doskonale sonda pola μh firmy HAMEG o oznaczeniu HZ545, pozwalająca zlokalizować źródło zakłóceń na płycie EC o rozmiarach poniżej milimetrów. Dzięki tym własnościom sonda ta nadaje się idealnie do testowania płyt EC. Jak już wspomniano wszystkie kable metaliczne stanowią antenę zarówno wypromieniowującą sygnały zakłócające jak je zbierającą. Testując kable zbliżając do nich sondę pola H współpracującą z analizatorem widma można być zaskoczonym poziomem wykrywanych zakłóceń w.cz. występujących nawet na kablach sieciowych, telefonicznych lub też w wolnych liniach transmitujących dane jak harmoniczne sygnałów zegarowych. Wykorzystując sondę pola H i ekran amplitudy przedstawianej w skali logarytmicznej można łatwo stwierdzić czy wszystkie kable przenoszą zakłócenia o identycznym poziomie lub czy też niektóre z nich przenoszą ich więcej. Pozwoli to przedsięwziąć odpowiednie środki zaradcze. Przydatność ich można szybko i skutecznie przetestować oraz zweryfikować w laboratorium bez potrzeby stosowania do tego celu ekranowanych kabin oraz rozszerzonych konfiguracji pomiarowych. 4

Sonda o dużej impedancji Sondę taką można po prostu dołączyć do nóżki układu scalonego lub dowolnego pojedynczego przewodu bez obciążania tego wyprowadzenia impedancją 50 Ω typową dla analizatora widma. Pasmo pomiaru jest większe od 1 GHz. Impedancja sond o wysokiej impedancji produkowanych przez firmę HAMEG ma charakter zdecydowanie pojemnościowy i jest mniejsza od 2 pf. Sondę tę można także dołączyć do oscyloskopu o impedancji wejściowej 50 Ω lub o zakończeniu przepustowym 50 Ω, pracującą zatem jako sonda o wyżej podanym paśmie i impedancji. Obciążenie punktu pomiarowego można jeszcze bardziej zmniejszyć stosując sondę niskopojemnościową HZ543 o pojemności mniejszej od 0,3 pf i paśmie 3 GHz. Tak małe obciążenie pozwala uzyskiwać dużą dokładność nawet w krytycznych układach w.cz. Główną zaletą jest to, że punkt pomiarowy praktycznie nie widzi obciążenia. W przeciwnym razie mała impedancja sondy może spowodować stłumienie lub zredukowanie oscylacji, które mamy zmierzyć. Problem ten staje się istotny, gdy interesująca nas częstotliwość rośnie. Wtedy każdy pf ma ogromne znaczenie. Jeśli zastosujemy sondę HZ543, to problemu tego nie będzie aż do granic pasma. Sony niskopojemnościowe charakteryzują się cienkim zakończeniem pomiarowym i są używane bez połączenia z masą. Obwód zamyka się przez pojemność sondy do ciała osoby prowadzącej test. Zatem istnieje potrzeba sprawdzenia zakłóceń występujących osobno na wyprowadzeniu układu scalonego lub na przewodzie. Sprzężenie sondy pojemnościowe i o dużej impedancji umożliwia też pomiar sygnałów zakłócających przy pracy wspólnej i identyfikację ich źródeł. Praktyczne problemy EMI Projektanci układów elektronicznych posiedli już wiedzę i potrafią walczyć z zakłóceniami EMI na płytkach EC. Efekt środków zaradczych EMI często można zobaczyć jednak tylko wtedy, gdy mierzy się radiację. Koszty i pracochłonność takich pomiarów są tak duże, że rzadko opłaca się testować efekty pojedynczych zmian wprowadzanych w układach. Jednak po kilku wprowadzonych zmianach nie można już określić jaki efekt mogła przynieść każda z nich. Stąd też jest korzystne wykonać testy zanim wykona się je w laboratorium pomiarowym, stosując do tego celu sondy zbliżeniowe lub też wspomniane już sondy wyczuwające. Sonda pola E reaguje na elektryczne pola przemienne, a sonda pola H jest czuła na zmiany strumienia magnetycznego. Przed użyciem takich sond zaleca się gorąco sprawdzić, które z pól odgrywa decydującą rolę w nowoczesnych płytkach EC. W przypadku dużych napięć, lecz małych prądów rolę decydującą będą grało pole E. W przypadku zaś małych napięć i dużych prądów dominować będzie pole H. Pierwszy z tych przypadków był regułą w układach lamp elektronowych. Nowoczesne układy scalone pracują przy małych napięciach i dużych prądach. Lecz nie tylko liczy się amplituda tych prądów, lecz również szybkość ich zmian [lub częstotliwość]. W przypadkach, gdy jest generowana fala elektromagnetyczna liczy się też szybkość zmian pola magnetycznego w funkcji czasu, co jest czynnikiem decydującym. To jest dokładnie ten element, który wyczuwa sonda pola H. Amplituda sygnału sondy jest wprost proporcjonalna do zmian strumienia, a zatem też do zmian prądu wytwarzającego pole. Stąd te sondy doskonale nadają się do wstępnych, ogólnych testów skuteczności środków przeciwdziałających EMI. Większość takich sond ma jednak wadę: ich przestrzenna rozdzielczość jest znacznie ograniczona. Stąd trudno jest zlokalizować źródło mierzonego sygnału. Kupując, zatem sondę warto poszukać takiej, która wyróżnia się dużą rozdzielczością detekcji pola magnetycznego. Staje się to coraz bardziej krytyczne, gdy stopień zintegrowania płytek EC Określanie wypromieniowanych zakłóceń za pomocą sondy pola magnetycznego [pola H] i analizatora widma. 5

Narzędzia pomiarowe EMI rośnie tak, że zlokalizowanie poszczególnego źródła zakłóceń wymaga rozdzielczości mniejszych od milimetra. Pomiary na płytkach EC czterowarstwowych Poniżej opisano jak wyodrębnić interesujące nas szczegóły z sygnałów zbieranych przez sondy. Sygnały można wyświetlać z zasady albo w domenie czasu, albo w domenie częstotliwości. Bardziej przejrzyste jest wyświetlanie w domenie czasu. Poniższe wyniki pomiarów otrzymano testując płytki EC czterowarstwowe europejskiego formatu, o wymiarach 100 x 160 mm2. Na takiej płytce moc jest dystrybuowana na każdej warstwie osobno. Odległość między warstwami VCC- i masy wynosi 100 μm, W środku tej płytki jest umieszczony zestaw kondensatorów, który łączy obie warstwy dla sygnałów przemiennych. Rys. 1 przedstawia sygnał w pobliżu wyprowadzenia VCC- układu 74AC163. Amplituda sygnału jest proporcjonalna szybkości zmian strumienia magnetycznego, a zatem i prądu w tym miejscu warstwy. Czasy narastania i opadania są rzędu nanosekund. Rys. 2 Zmiany prądu w warstwach dystrybucji zasilania w pobliżu zestawu kondensatorów. Rys. 2 przedstawia zmiany prądu w pobliżu zestawu kondensatorów. Jest oczywiste, że w tym przypadku sygnał jest dużo wolniejszy niż w przypadku sygnału z rys. 1. Czasy narastania i opadania są tu równe ok. 3 ns. Zestaw kondensatorów dopuszcza do warstw tyko wolne prądy. Takie szczegóły można zauważyć stosując tylko sondy o wysokiej rozdzielczości, takie jak sonda pola μh. Poniższy przykład ilustruje efekt środków absorpcyjnych. Sygnał przedstawiony na rys. 3 pobrano bezpośrednio z wyprowadzenia VCC układu scalonego 74AC00 za pomocą sondy pola μh. Układ ten jest zasilany przez system VCC masa, który nie jest odtłumiony. Zmiany pola magnetycznego są silne. Rys. 1 Sygnał prądowy w warstwie VCC i w pobliżu wyprowadzenia VCC układu 74AC163. Powodem tego są prądy w.cz. płynące blisko wyprowadzenia VCC, tak że mogą być podtrzymywane przez ładunek w tej warstwie. Takie składowe w.cz. nie będą podtrzymywane, gdy impedancja stanie się zbyt duża. Do wyprowadzenia VCC jest dołączony kondensator odsprzęgający, dzięki czemu wyprowadzenie to nie może być źródłem prądów w.cz. Oczywiście dwie warstwy VCC i warstwa masy są wyposażone w zestaw kondensatorów umieszczony w środku płytki. Przepuszcza on tylko składowe o niskich częstotliwościach. Rys. 3 Sygnał w bezpośredniej bliskości wyprowadzenia VCC układu scalonego 74AC00. W przeciwieństwie do powyższego przykładu rys. 4 przedstawia ten sam punkt pobierania sygnału, lecz teraz układ scalony jest zasilany za pośrednictwem dwustopniowego odłumionego układu dystrybucji. Wyprowadzenie VCC jest dołączone do warstwy VCC za pośrednictwem dużego dławika (filtru pasmowego), a ponadto ta warstwa jest odtłumiona za pomocą warstwy węglowej. Zmniejszenie 6

amplitudy jest tu sprawą oczywistą. Stosując tę sondę można określić efekt użytych środków, bez potrzeby zaprzęgania do tego celu jakiegokolwiek innego sprzętu. Rys. 6 Rezystor szeregowy na wyjściu generatora zegarowego obcina amplitudę w połowie. Rys. 4 Porównywalny sygnał pobrany w systemie dystrybucji zasilania z dwustopniowym tłumieniem. Ostatni przykład przedstawia sygnał pobrany z punktu dystrybucji sygnału zegarowego znajdującego się na płytce EC rozmiaru europejskiego. Sygnał pobiera się bezpośrednio z wyjścia generatora zegara. Rys. 5 przedstawia sygnał, gdy nie zastosowano żadnych elementów tłumiących zakłócenia EMI. W tym przypadku sygnał zmierzony ma bardzo dużą amplitudę 60 mv. Rys. 5 Sygnał pobierany sondą pola μh z układu, w którym nie zastosowano żadnych elementów tłumiących zakłócenia EMI. Popularnym środkiem poprawiającym złą sytuację jest włączenie rezystancji szeregowej bezpośrednio na wejście generatora sygnału zegarowego. W tym przypadku zastosowano rezystor 82 Ω. Rysunek 6 przedstawia rezultat tego: amplituda sygnału jest obcięta w połowie. Efekt działania tego środka jest widoczny natychmiast. 7