Vorhersage von Strahlungsemissionen, bevor Sie den Test nicht bestehen

Warum sollten Sie sich die Mühe machen, vor der Kammer zu schätzen?

EMV-Tests sind teuer. Ein einziger Tag in einer reflexionsarmen Kammer entspricht $2,000–$4.000, je nachdem, wo Sie sich befinden. Und das ist, bevor Sie die Zeit für die Konstruktion, die Reisen und das unvermeidliche „Wir müssen nächste Woche wiederkommen“, wenn etwas ausfällt, einkalkulieren. Die meisten Ingenieure behandeln abgestrahlte Emissionen so lange wie eine Blackbox, bis sie auf eine fehlgeschlagene Anlage starren, aber das muss nicht so sein.

Die Physik der Strahlungsemissionen von PCB-Stromschleifen ist gut verstanden. Wenn Sie den Schleifenstrom, die Schleifenfläche und die Frequenz kennen, können Sie das elektrische Feld in einer bestimmten Entfernung mit angemessener Genauigkeit abschätzen. „Angemessen“ bedeutet hier, dass bei einfachen Geometrien nur 6—10 dB von der Realität abweichen — nicht perfekt, aber genug, um Ihnen zu sagen, ob Sie bequem vorbeikommen, spektakulär scheitern oder in der unbequemen Grauzone landen, in der Sie durch Layoutanpassungen gerettet werden könnten.

Das zugrundeliegende Modell

Eine kleine Stromschleife wirkt als magnetischer Dipol. Bei Entfernungen, die viel größer als eine Wellenlänge sind, ist das von einer solchen Schleife abgestrahlte elektrische Feld:

wobei $E$ das elektrische Feld in µV/m ist,$I $ der Spitzenschleifenstrom in Ampere ist,$A $ die Schleifenfläche in m² ist,$f $ die Frequenz in MHz ist und$r$ der Messabstand in Metern ist. Diese Formel geht von Fernfeldbedingungen und einer Schleife aus, die im Vergleich zur Wellenlänge elektrisch klein ist.

Der Begriff $f^2$ ist der Killer. Verdoppeln Sie Ihre Frequenz, vervierfachen Sie Ihre Emissionen. Aus diesem Grund neigen digitale Hochgeschwindigkeitsdesigns mit schnellen Kanten — viele harmonische Inhalte — dazu, bei Frequenzen, die weit über der grundlegenden Taktrate liegen, zu versagen.

CISPR 22 Klasse B (jetzt CISPR 32, aber jeder nennt es immer noch Klasse B) spezifiziert Grenzwerte bei 10 Metern. Bei 30 MHz liegt der Grenzwert bei 30 dBµV/m; oberhalb von 230 MHz steigt er auf 37 dBµV/m und bleibt dort bis 1 GHz. Dies sind keine willkürlichen Zahlen — sie sind das, was die Aufsichtsbehörden für Wohnumgebungen als akzeptabel erachtet haben. Wenn Sie sie um 3 dB verpassen, geht es Ihnen nach einiger Filterung wahrscheinlich gut. Wenn du sie um 15 dB verpasst, gestaltest du das Board neu.

Ein funktionierendes Beispiel: 100-MHz-Taktverteilung

Nehmen wir an, Sie haben einen 100-MHz-Takt, der auf eine innere Schicht einer 4-lagigen Platine geleitet wird. Das Signal verläuft 25 mm (0,025 m), bevor es einen Puffer-IC erreicht, und der Rückweg befindet sich auf einer angrenzenden Grundebene. Bei einer dielektrischen Dicke von 0,2 mm beträgt die Schleifenfläche ungefähr:

Das sind 5 mm² — ziemlich klein, was gut ist. Nehmen wir nun an, das Taktsignal schwingt 3,3 V in eine 50-Ω-Last ein, was einen Spitzenstrom von 66 mA (0,066 A) ergibt. Bei der dritten Harmonischen (300 MHz, wo die CISPR-Grenzwerte immer strenger werden) beträgt das geschätzte Feld bei 10 m:

Umrechnung in dBµV/m:$20 \\log_{10}(0.391) = -8.2$ dBµV/m.

Der CISPR 22-Grenzwert der Klasse B bei 300 MHz liegt bei 37 dBµV/m. Ihr Spielraum liegt bei angenehmen 45 dB. Dir geht es gut — zumindest in diesem speziellen Loop.

Aber hier wird es interessant. Was ist, wenn der Rückweg nicht direkt unter der Spur liegt? Nehmen wir an, es gibt einen Spalt in der Grundplatte und der Rückstrom muss um ihn herum umgeleitet werden, sodass eine Schleifenfläche von 200 mm² statt 5 mm² entsteht. Das ist 40x größer.

Immer noch passabel, aber dein Spielraum ist gerade auf 13 dB gefallen. Fügen Sie noch ein paar weitere Schleifen wie diesen hinzu, berücksichtigen Sie die Kabelstrahlung und plötzlich schwitzen Sie.

Öffnen Sie den Rechner zur Schätzung der Strahlungsemission, um Ihre eigenen Zahlen zu berechnen.

Wann dieses Modell funktioniert (und wann nicht)

Die Näherung mit kleinen Schleifen funktioniert gut, wenn der Schleifenumfang kleiner als etwa λ/10 ist. Bei 300 MHz sind das 10 cm — die meisten Leiterplattenstrukturen sind dafür geeignet. Es wird auch davon ausgegangen, dass Sie im Fernfeld messen, das bei 300 MHz etwa 1,5 Meter beginnt. Die CISPR-Entfernung von 10 Metern entspricht eindeutig dem Fernfeldbereich.

Das Modell funktioniert nicht bei verteilten Strukturen wie langen Kabeln, Schlitzantennen (Lücken in den Grundflächen) und allem, wo die Stromverteilung nicht gleichmäßig ist. Es ignoriert auch Reflexionen vom Kammerboden und nahegelegenem Metall — die reale Testumgebung ist unübersichtlicher als der freie Raum.

Erwarten Sie nicht, dass diese Schätzung exakt mit Ihren Kammerergebnissen übereinstimmt. Erwarten Sie, dass Sie damit ins richtige Baseballstadion gelangen. Wenn der Rechner angibt, dass Sie einen Spielraum von 3 dB haben, behandeln Sie das als „wahrscheinlich fehlerhaft“. Wenn er besagt, dass Sie einen Spielraum von 25 dB haben, können Sie sich etwas entspannen.

Häufige Fehler und Fallstricke

Obertöne vergessen

Ein 50-MHz-Takt strahlt nicht nur mit 50 MHz. Wenn er schnelle Flanken hat — und das tun die meisten CMOS-Uhren mit Anstiegszeiten unter 1 ns —, weist er einen signifikanten Oberwellengehalt bis 300 MHz und darüber hinaus auf. Die dritte, fünfte und siebte Oberschwingung bereiten aufgrund dieses Begriffs nach $f^2$ oft mehr Probleme als die Grundschwingungen. Überprüfe immer die Oberschwingungen, nicht nur die Taktfrequenz.

Der Loop-Bereich wird unterschätzt

Techniker gehen routinemäßig davon aus, dass der Rückstrom direkt unter der Signalspur fließt. Normalerweise ist dies der Fall, wenn Sie eine durchgehende Referenzebene haben. Aber Durchkontaktierungen, die die Referenzschichten wechseln, Teilungen in Ebenen und Stecker mit unzureichenden Massekontakten zwingen den Rückstrom dazu, längere Wege zurückzulegen. Die tatsächliche Schleifenfläche kann 10- oder 100-mal so groß sein, wie Sie es naiv berechnen würden.

Effektivstrom statt Spitzenwert verwenden

Die Formel bezieht sich auf den Spitzenstrom, nicht auf den Effektivwert. Bei einem sinusförmigen Signal beträgt der Spitzenwert das √2-fache des Effektivwerts. Bei einer Rechteckwelle entspricht die Spitze der Amplitude. Wenn Sie das falsch machen, erhalten Sie einen 3-dB-Fehler — nicht katastrophal, aber es summiert sich.

Kabelstrahlung ignorieren

Ihre Leiterplatte ist zwar sauber, die daran angeschlossenen Kabel jedoch häufig nicht. Ein 1 Meter langes USB-Kabel mit nur wenigen Milliampere Gleichtaktstrom ist eine weitaus effizientere Antenne als jede Leiterbahn auf Ihrer Platine. Dieser Rechner konzentriert sich auf die Schleifenstrahlung, was für Entscheidungen beim Leiterplattendesign hilfreich ist. Vergessen Sie jedoch nicht, dass Kabel im Endtest häufig dominieren.

Unter der Annahme, dass Ergebnisse aus 10 Metern einfach auf 3 Meter skaliert werden

Einige Testhäuser verwenden zur Vorabeinhaltung Abstände von 3 Metern. Das Feld wird im Fernfeld mit 1/r skaliert, sodass 3-Meter-Ergebnisse etwa 10 dB höher sind als 10-Meter-Ergebnisse. Die CISPR-Grenzwerte sind jedoch bei 10 Metern angegeben, und der Korrelationsfaktor beträgt aufgrund von Nahfeldeffekten bei niedrigeren Frequenzen nicht genau 10 dB. Seien Sie vorsichtig beim Vergleich.

Praktische Auswirkungen auf das Design

Sobald Sie einige Schätzungen durchgeführt haben, zeichnen sich Muster ab. Die Reduzierung der Schleifenfläche ist fast immer die effektivste Lösung — es handelt sich um eine lineare Beziehung, sodass die Halbierung der Fläche die Emissionen halbiert. Es hilft auch, den Strom zu reduzieren, aber das lässt sich oft nicht ändern, ohne die Funktion des Stromkreises zu beeinträchtigen.

Das Verlangsamen von Kanten reduziert den Oberschwingungsgehalt, was bei hohen Frequenzen hilfreich ist. Bei einer Anstiegszeit von 10 ns statt 1 ns wird die Energie über 100 MHz drastisch reduziert. Reihenwiderstände auf Taktleitungen, Ferritperlen oder einfach die Wahl langsamerer Logikfamilien funktionieren alle.

Abschirmung und Filterung sind die letzten Auswege. Sie funktionieren, aber sie kosten Geld und Versammlungsraum. Es ist fast immer günstiger, das Problem an der Quelle zu beheben.

Margen-Philosophie

Wie viel Marge benötigen Sie? Die ehrliche Antwort lautet „mehr als Sie denken“. Echte Produkte haben mehrere Emissionsquellen, die (manchmal kohärent) eine Messunsicherheit von ±3 dB und Produktionsschwankungen hinzufügen. Bei einem Design, das im Labor mit einem Spielraum von 2 dB die Anforderungen erfüllt, fallen Geräte bei der Produktion aus.

Im Allgemeinen strebe ich für jede einzelne Quelle einen Mindestabstand von 6 dB an, wenn möglich 10 dB. Wenn der Taschenrechner anzeigt, dass Sie den Grenzwert genau erreicht haben, ist das nicht „bestanden“ — das ist „wahrscheinlich ein Fehler, nachdem Sie das Netzteil, das Display und das Bluetooth-Modul hinzugefügt haben“.

Probiere es aus

Schnappen Sie sich Ihren Schaltplan, identifizieren Sie Ihre Schaltsignale mit der höchsten Frequenz, schätzen Sie die Schleifenbereiche ab und öffnen Sie den Rechner zur Schätzung der Strahlungsemission. Berechne die Zahlen für die Grundschwingung und mindestens die dritte und fünfte Harmonische. Wenn Sie bei einem von ihnen innerhalb von 10 dB unter dem Grenzwert liegen, ist das Ihr Signal, sich das Layout genauer anzusehen, bevor Sie Geld für Kammerzeit ausgeben.

Es dauert fünf Minuten und erspart Ihnen möglicherweise eine Woche Debugging.