EMC-Design: Bestehen Sie den CE/FCC-Test beim ersten Versuch

Warum die meisten Produkte EMC beim ersten Versuch versagen

Folgendes könnte Sie überraschen: Zwischen 50 und 70 Prozent der Produkte bestehen die EMC-Tests beim ersten Versuch nicht. Das ist keine geringe Zahl, und der finanzielle Schaden ist real. Die Laborzeit liegt irgendwo zwischen$1,000 to $5.000 pro Tag, und wenn Sie versagen, schauen Sie sich PCB-Redesigns und neue Prototypen an und buchen den Test neu — was Ihren Zeitplan um Monate verschieben kann. Der frustrierende Teil? Die meisten dieser Fehler sind völlig vermeidbar, wenn Sie wissen, worauf Sie bei der Konstruktion achten müssen.

In diesem Handbuch werden die häufigsten Ursachen für Produktausfälle bei EMC beschrieben und, was noch wichtiger ist, wie Sie diese Probleme beheben können, bevor Sie ein Compliance-Labor betreten.

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Die Standards verstehen

CE-Kennzeichnung (Europa)

Wenn Sie nach Europa verkaufen, benötigen Sie eine CE-Kennzeichnung, was bedeutet, dass Ihr Produkt der Richtlinie über elektromagnetische Verträglichkeit (2014/30/EU) entsprechen muss. Bei den meisten elektronischen Produkten testen Sie anhand der folgenden Kriterien:

• CISPR 32 — ersetzt EN 55022 und deckt Multimediageräte ab
• CISPR 25 — speziell für Fahrzeugkomponenten
• EN 61000-4-x — die Immunitätstestreihe

FCC Teil 15 (Vereinigte Staaten)

In den USA ist Teil 15B das, womit Sie es zu tun haben, wenn es sich bei Ihrem Produkt um einen unbeabsichtigten Kühler handelt — im Grunde alles mit einer Taktfrequenz über 9 kHz. Klasse A gilt für gewerbliche und industrielle Umgebungen, während Klasse B für private Zwecke bestimmt ist. Die Grenzwerte für Klasse B sind strenger. Wenn Sie also Klasse B bestehen, sind Sie in der Regel für Klasse A in Ordnung.

Wichtigste Grenzwerte

Hier ist, womit Sie es zu tun haben:

Bevor Sie sich für ein Layout entscheiden, verwenden Sie den Rechner zur Schätzung der Strahlungsemission, um eine ungefähre Zahl dafür zu erhalten, was Ihre aktuellen Loops möglicherweise ausstrahlen. Es ist nicht perfekt, aber es zeigt Ihnen, ob Sie in der richtigen Nachbarschaft oder in der Nähe sind.

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Die Physik der EMI: Warum Leiterplatten strahlen

Jede Stromschleife auf Ihrer Platine ist im Grunde eine winzige Antenne. Das elektrische Strahlungsfeld, das von einer kleinen Schleife ausgeht, kann wie folgt approximiert werden:

§0 §

wobei$f$die Frequenz ist,$A$die Schleifenfläche in Quadratmetern ist,$I$der Strom in Ampere ist und$r$die Entfernung zum Empfänger in Metern ist.

Diese Gleichung ist unglaublich nützlich, weil sie dir genau sagt, worauf es ankommt. Du musst drei Hauptknöpfe drehen:

1. Reduzieren Sie den Loop-Bereich — aus diesem Grund belassen Sie die Rückwege direkt unter den Signalpfaden. Eine Schleife von 1 cm² strahlt 100 mal weniger ab als eine 10 cm² große Schleife bei derselben Frequenz.
2. Frequenzgehalt reduzieren — Langsamere Kantenraten bedeuten weniger Hochfrequenzenergie. Fügen Sie RC-Snubber zu Knoten hinzu, die schnell wechseln, wenn Sie sich die Zeitspanne leisten können.
3. Strom reduzieren — Verwenden Sie eine serielle Terminierung statt einer Parallelschaltung, verringern Sie die Antriebsstärke Ihrer Ausgänge.

Die meisten Techniker konzentrieren sich zunächst auf die Abschirmung, aber wenn Sie diese drei Parameter während des Layouts angreifen, benötigen Sie oft überhaupt keine Abschirmung.

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Die 5 häufigsten Ursachen für Fehlschläge beim ersten Versuch

1. Geräusch beim Schalten der Stromversorgung

Abwärts- und Aufwärtswandler gehören zu den schlimmsten Verstößen sowohl für leitungsgebundene als auch für abgestrahlte Emissionen. Ein 200-kHz-Schaltregler emittiert nicht nur bei 200 kHz, sondern auch Oberschwingungen bei 400 kHz, 600 kHz, 800 kHz, 1 MHz usw. Diese Oberschwingungen laufen direkt durch die CISPR- und FCC-Testbänder, und wenn Sie sie nicht gefiltert haben, werden Sie versagen.

Die Lösung: Fügen Sie an Ihrem Stromeingang eine Gleichtaktdrossel und X/Y-Kondensatoren hinzu. Die Gleichtaktdrossel verarbeitet das Geräusch, das auf beiden Versorgungsschienen auftritt, während der X-Kondensator (von Leitung zu Leitung) und der Y-Kondensator (von Leitung zu Masse) das Differenztaktgeräusch ausgleichen. Verwenden Sie den Gleichtakt-Drosselrechner, um die richtige Größe zu ermitteln — in der Regel streben Sie bei Ihrer Problemfrequenz eine Dämpfung von 40 dB an. Erraten Sie nicht einfach den Induktivitätswert.

2. Harmonische Schwingungen von Kristallen und Taktoszillatoren

Ein 48-MHz-Kristall erzeugt Oberschwingungen bei 96 MHz, 144 MHz, 192 MHz und darüber hinaus. All diese Werte fallen direkt in die Testbänder der abgestrahlten Emissionen. Hochgeschwindigkeits-Digitaluhren sind wahrscheinlich die häufigste Ursache für Strahlungsausfälle, insbesondere wenn sie in der Nähe des Platinenrandes oder in der Nähe von I/O-Anschlüssen verlegt werden.

Die Lösung:

• Wenn Ihr Mikrocontroller Spread Spectrum Clocking (SSC) unterstützt, schalten Sie ihn ein. Dadurch wird die Taktenergie über einen kleinen Frequenzbereich verteilt, anstatt sie auf eine einzige Frequenz zu konzentrieren. In der Regel werden die Spitzenemissionen um 10 bis 15 dB reduziert, was den Unterschied zwischen Erfolg und Ausfall ausmachen kann.
• Fügen Sie Ferritperlen in Reihe mit den Uhrlinien hinzu. Eine Ferritperle mit 600 Ω bei 100 MHz kann hochfrequente Oberschwingungen erheblich reduzieren.
• Schirmen Sie den Oszillator nach Möglichkeit ab oder lassen Sie die Taktspur mindestens auf einer inneren Schicht verlegen, über und unter der sich feste Erdschichten befinden. Dadurch entsteht eine Streifenstruktur, die das Feld enthält.

3. Leitungsgebundene Emissionen von SMPS im Differentialmodus

Die Schaltwellung am Ein- und Ausgang Ihres Konverters erzeugt leitungsgebundene Emissionen im Differenzmodus — Geräusche, die sich entlang Ihrer Stromleitungen ausbreiten und über Kabel ausgestrahlt werden können oder die durchgeführten Emissionstests direkt nicht bestehen.

Die Lösung: Sie benötigen einen LC-Filter. Der Induktor blockiert hochfrequenten Strom und der Kondensator leitet ihn gegen Masse ab. Verwenden Sie den Rechner für leitungsgeführte Emissionsfilter, um einen Filter zu entwerfen, dessen Grenzfrequenz deutlich unter Ihrer Schaltfrequenz liegt. Platzieren Sie die Hauptkapazität so nah wie möglich am Wandler und stellen Sie sicher, dass Ihre Masseverbindung kurz und breit ist. Eine lange, dünne Masseleitung erhöht die Induktivität, die den gesamten Zweck des Kondensators zunichte macht.

4. Schlechtes Design der Grundplatte

Dieser bringt viele Leute zum Stolpern. Eine unterbrochene Massefläche zwingt Rückströme dazu, lange, hochinduktive Pfade zurückzulegen. Bei hohen Frequenzen erhöht sich dadurch die Erdimpedanz drastisch, sodass sich Geräusche an externe Kabel anlagern und dort abstrahlen können. Ich habe gesehen, dass Platinen um 20 dB ausfallen, nur weil jemand beschlossen hat, ein paar Spuren auf der Bodenschicht zu verlegen und das Flugzeug dann kaputt gemacht hat.

Die Lösung: Verwenden Sie eine durchgehende Grundebene auf Ebene 2, direkt unter Ihrer Komponentenebene. Verlegen Sie niemals Signalbahnen auf der Bodenschicht — wenn Sie mehr Platz benötigen, fügen Sie eine weitere Signalschicht hinzu. Mit dem Ground Plane-Impedanz-Rechner können Sie sich ein Bild davon machen, wie Ihre AC-Erdimpedanz bei verschiedenen Frequenzen aussieht. Bei 100 MHz kann selbst eine kleine Lücke die Impedanz um mehrere Ohm erhöhen. Das ist enorm, wenn Sie versuchen, das Rauschen einzudämmen.

5. Kabel, die als Antennen dienen

Externe Kabel — USB-, HDMI-, Stromkabel, was auch immer — sind physisch mit deinem Board verbunden und strahlen jedes Geräusch ab, das du an sie koppelst. Ein 30 cm langes Kabel hat eine Resonanz von etwa 500 MHz, was genau in der Mitte des FCC-Testbandes liegt. Wenn das Kabel Gleichtaktrauschen hat, leuchtet der Spektrumanalysator dadurch auf.

Die Lösung: Stecken Sie Gleichtaktdrosseln an jeden externen Anschluss. Diese Drosseln blockieren Gleichtaktgeräusche (das Geräusch, das auf beiden Leitern gleich ist) und leiten das Differenzsignal einwandfrei durch. Filtern Sie die Signalleitungen, wenn Sie können — ein kleiner RC-Filter an einer USB-Datenleitung kann Abhilfe schaffen. Und das ist entscheidend: Vergewissern Sie sich, dass Ihr Kabelabschirmanschluss niederohmig ist. Verwenden Sie einen 360°-Schirmanschluss am Stecker, keinen Zopf. Ein Anschlussanschluss erhöht die Induktivität, und bei hohen Frequenzen kann es sich bei dieser Induktivität genauso gut um einen offenen Stromkreis handeln.

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Tests vor der Einhaltung der Vorschriften

Warten Sie nicht, bis Sie einen „endgültigen“ Prototyp haben, um über EMC nachzudenken. Führen Sie in jeder Phase Vorabprüfungen durch, und Sie werden Probleme erkennen, wenn sie noch billig zu beheben sind.

Phase 1 — Überprüfung des Schemas

Bevor Sie überhaupt mit dem Layout beginnen, gehen Sie den Schaltplan durch und fragen Sie:

• Befindet sich ein EMI-Filter am Stromeingang?
• Sind Hochgeschwindigkeitsuhren von den I/O-Anschlüssen weggeführt?
• Befindet sich im Stapel eine Grundplatte?

Dies sind grundlegende Fragen, aber ich habe viele Schaltpläne gesehen, die überhaupt keinen EMI-Filter haben oder bei denen ein 100-MHz-Oszillator direkt neben dem USB-Anschluss sitzt.

Stufe 2 — Überprüfung des PCB-Layouts

Sobald Sie ein Layout haben, überprüfen Sie die kritischen Loop-Bereiche:

• Was ist der Loop-Bereich Ihres SMPS-Switching-Knotens? Dies ist die Schleife, die vom Induktor, dem Schalt-MOSFET und der Fangdiode gebildet wird. Halten Sie sie klein — wenn möglich unter 1 cm².
• Befinden sich Ihre Entkopplungskondensatoren nicht weiter als 1 mm von den IC-Stromanschlüssen entfernt? Wenn Sie weiter gehen, fügen Sie zu viel Induktivität hinzu.
• Ist der Rückweg bei allen Hochgeschwindigkeitsstrecken durchgehend? Verwenden Sie die Grundplatte als Rückweg und achten Sie darauf, dass keine Schlitze oder Aussparungen vorhanden sind, durch die der Strom umgeleitet werden könnte.

Stufe 3 — Erster Prototyp

Wenn Sie Ihren ersten Prototyp erhalten, kaufen Sie ein günstiges Nahfeldsonden-Set — Sie können eines für etwa 50$ erwerben. Scanne dein Board, während es läuft:

• Verwenden Sie die H-Feldsonde (Magnetfeld) in der Nähe des Schaltknotens Ihrer Stromversorgung. Sie werden genau sehen, wo das Magnetfeld am stärksten ist, was Ihnen sagt, wo Ihr Loop-Area-Problem liegt.
• Verwenden Sie die E-Feldsonde (elektrisches Feld) in der Nähe von ICs und Steckverbindern, um zu sehen, wo die elektrische Feldkopplung stattfindet.

Bei dieser Art des Scannens erhalten Sie keine quantitativen Daten, aber es werden Ihnen die Hotspots angezeigt. Sobald Sie wissen, wo die Probleme liegen, können Sie Filter hinzufügen, das Routing ändern oder nur in diesen Bereichen eine Abschirmung hinzufügen.

Verwenden Sie den EMI Margin Budget Calculator, um herauszufinden, wie viel Marge Sie benötigen. Eine gute Faustregel lautet 12 dB: 6 dB für Messunsicherheit und 6 dB für Produktionsschwankungen. Wenn Sie bei der Vorabkontrolle nicht mehr als 3 dB unter dem Grenzwert liegen, werden Sie wahrscheinlich scheitern, wenn Sie ins echte Labor kommen.

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Abschirmung als letztes Mittel

Viele Ingenieure greifen zuerst zur Abschirmung, aber das sollte wirklich Ihre letzte Option sein. Ein Metallgehäuse kann Ihnen eine Abschirmwirkung von 40 bis 80 dB bieten, was großartig klingt, aber nur, wenn Sie es richtig machen:

1. Alle Nahtabstände müssen bei der höchsten Störungsfrequenz kleiner als λ/20 sein. Bei 1 GHz sind das etwa 1,5 cm. Größere Lücken als das und Sie haben eine erhebliche Leckage.
2. Kabel müssen an der Stelle gefiltert werden, an der sie in die Abschirmung gelangen. Wenn Sie ein ungefiltertes Kabel haben, das durch Ihre Abschirmung ragt, haben Sie quasi eine Antennenspeisung erzeugt.
3. Die Abschirmung benötigt eine niederohmige Verbindung zur Erde. Eine einzige Schraube in der Ecke reicht nicht aus — Sie benötigen mehrere Bodenpunkte am Rand.

Verwenden Sie den Rechner zur Abschirmung, um zu sehen, wie sich die Schlitzgröße auf Ihre Abschirmung auswirkt. Ein 10 cm langer Schlitz begrenzt die Abschirmung bei 1 GHz auf etwa 30 dB, unabhängig davon, wie dick Ihr Metall ist. Die Abschirmung ist teuer, sie erhöht das Gewicht und erschwert die Herstellung. Korrigieren Sie zuerst die Emissionsquelle, und Sie benötigen sie möglicherweise nicht.

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ESD und Immunität

Bei CE-Tests geht es nicht nur um Emissionen — Sie müssen auch Immunitätstests bestehen. IEC 61000-4-2 (ESD) ist oft die schwierigste. Du schaust dir an:

• Stufe 4: ±8 kV Kontaktentladung, ±15 kV Luftentladung
• Der Test verwendet ein Modell des menschlichen Körpers: 100 pF werden über 1,5 kΩ entladen

Das ist eine Menge Energie, die in wenigen Nanosekunden in Ihren Stromkreis gelangt. Wenn Sie nicht über einen angemessenen ESD-Schutz verfügen, treten Latchups, Resets oder bleibende Schäden auf. Die Lösung: Fügen Sie an jedem externen Anschluss TVS-Dioden oder ESD-Clampdioden hinzu — USB, Ethernet, Tasten, alles, was ein Benutzer berühren kann. Wählen Sie eine ESD-Diode mit einer Klemmspannung, die nicht höher als das Doppelte Ihrer Versorgungsschiene ist. Wenn Sie ein 3,3-V-System verwenden, achten Sie auf eine Klemmspannung von etwa 6 V. Achten Sie außerdem darauf, dass die Diode eine niedrige Kapazität hat, wenn Sie eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle schützen — eine 1000-pF-Diode an einer USB 2.0-Leitung beeinträchtigt Ihre Signalintegrität.

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Zusammenfassende Checkliste

Folgendes sollten Sie beachten, bevor Sie Ihren Konformitätstest buchen:

• [] EMI-Filter am Stromeingang (Gleichtaktdrossel + X/Y-Kondensatoren)
• [] Durchgehende Massefläche auf Layer 2, keine Unterbrechungen
• [] Entkopplungskondensatoren innerhalb von 1 mm von jedem IC-Stromanschluss
• [] Spread-Spektrum-Taktung aktiviert (sofern Ihr IC dies unterstützt)
• [] Ferritperle auf jeder externen Schnittstellensignalleitung
• [] ESD-Schutzdioden an allen I/O-Pins
• [] Der Nahfeldscan wurde vor der endgültigen Einreichung mit einem Sondensatz abgeschlossen
• [] Bei Ihren Messungen vor der Einhaltung der Vorschriften liegt ein Spielraum von mindestens 12 dB vor

Wenn Sie alle diese Kästchen angekreuzt haben, steigen Ihre Chancen, beim ersten Versuch zu bestehen, erheblich. Die meisten Techniker überspringen den Schritt vor der Einhaltung der Vorschriften und hoffen einfach auf das Beste. Deshalb landen sie in der Gruppe der 50— 70% -igen Fehler. Seien Sie nicht dieser Ingenieur.