EMC IN PRAKTIJK TIPS & TRICKS Karel Pauwels Field Application Engineer
[email protected] 1
Fixing EMC Problems is no voodoo? • We zullen proberen in deze korte presentatie de basis regels toe te lichten, regels welke men best volgt om EMC problemen te vermijden en om design fouten te herkennen (bij voorkeur tijdens de design fase en niet in het EMC labo).
•Maar laat ons eerst trachten de bron van EMC storingen te identificeren als het fout gaat tijdens EMC testen
2
EMC Problems ? • Als men aan EMC Problemen denkt is vaak het eerste wat in gedachten komt “Radiated Emission” •En inderdaad dit is vaak het eerste wat gemeten wordt tijdens EMC testen en het is vaak ook de eerste struikel steen voor veel ontwerpen. •Vandaag proberen we ons te concentreren op die “design Pitfalls” welke verantwoordelijk zijn voor radiated emissie. In veel gevallen vermijdt men trouwens andere mogelijke EMC problemen door de juiste maatregelen te nemen tegen radiated emissie. 3
Define the Problem source Breed spectrum “ruis blob” Meestal veroorzaakt door switching power supplies E N 5 5 0 2 2 A R E b e lo w 1 G H z w ith o u t Q P
80 75 70 65 60
EN 5 502 2 A Ele ct r i c Fie ld S t r eng t h 3 m b el ow 1GHz QP
55
Le vel i n dB µV /m
50
EN 5 502 2 B Ele ct r i c Fie ld S t r eng t h 3 m b el ow 1GHz QP
45 40 35 30 25 20
Smalle carriers veroorzaakt door snelle logica (harmonische van bvb Crystal klok oscillatoren)
15 10 5 0 30 M
50
60
80
100 M
20 0
30 0
40 0
50 0
80 0
1G
F re q u e n c y in H z
4
Trying to fix the Problem De meeste ontwerpers gaan proberen om een falende emissie meting alsnog te redden door snel filters (clamp-on ferrieten) en afscherming aan te brengen aan de falende unit. De meeste van deze maat regelen zal echter niet of onvoldoende werken • Clamp-On Ferriet op de kabels kan effectief de impedantie van de aangesloten bekabeling verhogen waardoor het minder efficiëntie stralende antennes worden maar de effecten zijn vaak beperkt tot 3 a 6dB rond de 100MHz • Afscherming toevoegen aan een bestaand ontwerp: Afscherming toevoegen in een ontwerp dat niet voorzien is om afgeschermd te worden is meestal een onmogelijke taak. Een afscherming hoort een kooi van Faraday te zijn. Het ontbreken van voldoende aardingspunten maar vooral het ontbreken van filtering op de I/O lijnen in de schakeling maakt dat de afscherming niet kan werken
• Vergroot je kans op succes: Indien de schakeling echter reeds voorzieningen had om filters en/of afscherming te monteren, heeft men een veel grotere kans om het probleem aan te pakken door optimalisatie van de aanwezige voorzieningen ! 5
Trying to fix the Problem • Indien een “clamp-on” ferriet uw probleem oplost dan ben je min of meer verplicht om dit type ferriet ook in je product toe te passen. Dit oogt vaak niet mooi en vooral het veroorzaakt een extra kost.
• Hetzelfde, en vaak beter, resultaat kan men bekomen door filtering in de schakeling zelf te voorzien op de plaats waar de bewuste kabel de PCB verlaat. Dit is een goedkopere oplossing welke je kan toepassen op het moment van bvb een nieuwe layout.
6
D
N
G
D
Cout
B
Q
Vin
Vout
Cin
L
T
Q
Switching Power supply related EMC problems
Een voorbeeld van een basis Buck type schakelende voeding
7
D
N
G
D
B
Q
R_gate
Cpar
C_Snubber
Cout
D
N
G
d
L
R_snubber
LdQB
D
Vin
Cin
Cout
B
Q
Vout
L
Vin
LsQT
Vout
Cin
L
T
Q
T
Q
R_gate
Cpar
Switching Power supply related EMC problems
Het zelfde circuit ziet er echter heel anders uit van zodra we de parasitaire componenten van de bedrading en schakelende componenten toevoegen. 8
T
R_snubber D
N
G
D
B
Q
R_gate
Cpar
C_Snubber
Cout
d
L
LdQB
Vin
Cin
Vout
L
LsQT
Q
R_gate
Cpar
Switching Power supply related EMC problems
• De parasitaire L en C’s vormen resonantie kringen met een relatief hoge Q. Deze kringen worden aangestoten telkens de voeding schakelt. De parasitaire resonantie kringen zullen opslingeren (ringing) en veroorzaken hierdoor EMC problemen ergens tussen 50 en 200MHz • Aangezien de parasitaire C’s van de halfgeleiders spanning afhankelijk zijn zal de ringing frequentie variëren tijdens het uitslingeren waardoor ook er een brede ruis band (blob) gemeten wordt in het spectrum.
9
Switching Power supply related EMC problems
?
T
Q
R_snubber D
N
G
?
L
D
R_gate
C_Snubber
Cout
d
L
LdQB
Vin
Cin
Vout
L
LsQT B
Q
R_gate
L
Een schakelende voeding die faalt voor EMC kan je trachten te verbeteren door enkele kleine toevoegingen, voordat men een volledige re-design start. • Typische maatregelen om ringing te reduceren zijn: • Plaats een snubber (R/C) netwerk. • Probeer de schakel snelheid van de Fet(s) te verlagen bvb door gate weerstanden • Vervang Silicon diodes door Schottky diodes of vervang ze door soft switching types
10
Switching Power supply related EMC problems
T
LsQT
Vin
Vout
Cin
L
Q
R_gate
Cpar
T
Q
• Je hebt niet altijd een spectrum analyser nodig om problemen op te lossen, een eenvoudige maar efficiënte RF kan men snel zelf bouwen met een 50Ω coax cable en een weerstand, soldeer die aan de te meten schakeling met een zo klein mogelijke loop.
L R_snubber d
D
B
Q
R_gate
Cpar
C_Snubber
Cout
D
N
G
L
LdQB
Vin
Cin
D
Vout
Cout
B
Q
950Ω
•
D
N
G
To 50Ω Oscilloscope input
Metingen kunnen op deze manier uitgevoerd worden, in het tijd domein, dmv een snelle oscilloscoop met 50 Ω ingang. Gebruik hiervoor geen standaard hoogimpedante oscilloscoop probe, je zou enkel pick-up ruis meten. 11
Isolated Power supplies Unintentional Dipole
DC/DC
• Geisoleerde schakelende voedingen hebben van nature een hoge impedantie tussen hun ingangs en uitgangs referentie vlak. En zijn berucht voor het veroorzaken van EMC problemen •Deze geïsoleerde vlakken vormen een dipool antenne welke de schakel frequentie en zijn harmonische maar ook mogelijke ringing zal uitstralen.
12
Isolated Power supplies
Sluit de twee referentie vlakken HF kort dmv capaciteiten Respecteer steeds de veiligheids richtlijnen (LVD directives)
DC/DC
13
Radiated Emissions Problems with isoPower Devices Een extreem voorbeeld van een geïsoleerde schakelende voeding vind je bvb in de isoPower componenten van bvb AnalogDevices. De problemen zijn hier extra groot omdat de schakel frequentie zich hier in de honderden MHz bevindt
INPUT-TO-OUTPUT DIPOLE EMISSIONS 180MHz TANK
360MHz RECTIFIER
HARMONICS at 540MHz AND 720MHz
14
Een bord met een near field emissie zoals hiernaast afgebeeld en zonder speciale layout maatregelen zal de EMC limieten (klasse B) met ongeveer 30dB overschrijden op 360MHz.
Isolated Power supplies Transformator Isolatie • Een electrostatische afscherming (interwinding shield) verbonden met de primaire kant van de voeding verminderd de primaire common Mode inkoppeling. • Ook hier weer zijn de primaire en secundaire referentie vlakken capacitief verbonden. • Aandacht voor de geldende veiligheids richtlijnen !!
15
What about Conducted Emission
16
It all looks Nice on the datasheet Problemen en echte input/output impedanties • Typische LC filter performantie is sterk afhankelijk van de aanwezige in en uitgangs impedantie • Filters zijn gewoonlijk ontworpen voor 50Ω impedantie. De aanwezige impedanties zijn in de praktijk zelden 50Ω. • De gepubliceerde filter verzwakking is dan ook zelden die welke de data sheet beloofd en kan in extreme gevallen zelfs op bepaalde frequenties resulteren in gain ipv verzwakking
•Multi stage filters Deze hebben interne nodes met beter gecontroleerde impedanties Dit type filter geeft betere (meer voorspelbare) resultaten onder verschillende load condities. 17
Spread Spectrum (Frequency Modulation)
Spread spectrum of frequentie modulatie is een methode waarbij de schakel frequentie van een schakelende voeding extern opgedrongen wordt door een clock chip en waarbij deze frequentie voortdurend veranderd. De spectrum analyser meet voor conductive emissie met een filter van 9kHz en ziet dus steeds maar een klein stukje van het spectrum. Op deze manier meet men een kleinere piek waarde dan de werkelijke. 18
Design a switching Power always with EMC in Mind • Het plaatsen van snubbers en het verlagen van de FET schakel snelheid kan het EMC gedrag verbeteren . De meest FAE’s van PSU chips zullen deze maatregelen echter afkeuren omdat ze een negatief effect hebben op het rendement van de voeding. • Een correcte layout van schakelende voedingen is cruciaal voor EMC • Minimaliseer steeds de loop oppervlakte van het schakelende gedeelte., dit minimaliseert parasitaire inductanties en verkleint stralende loop antennes. •Bijna alle chip fabrikanten hebben goede layout voorbeelden in de data sheet of in Applicatie nota’s, volg deze zeer nauwkeurig (meestal kan je het zelf niet beter). • Maak goede component keuzes bij de start, gebruik IC’s van een betrouwbare fabrikant met duidelijke datasheets en (goede FAE’s). Gebruik ceramische condensatoren aan in en uitgang met lage ESR-ESL. •Voorzie EMC maatregelen in de layout die je indien nodig kan activeren in geval van problemen. Dit kan je behoeden voor een uitgebreide re-layout. 19
Problems with High speed logic E N 5 5 0 2 2 A R E b e lo w 1 G H z w it h o u t Q P
80 75 70 65 60
EN 5 502 2 A Ele ct r i c Fie ld S t r eng t h 3 m b el ow 1GHz QP
55
Level in dBµV/m
50
EN 5 502 2 B Ele ct r i c Fie ld S t r eng t h 3 m b el ow 1GHz QP
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 30 M
50
60
80
100 M
20 0
30 0
40 0
50 0
80 0
1G
F re q u e n c y in H z
20
Problems with High speed logic E N 5 5 0 2 2 A R E b e lo w 1 G H z w it h o u t Q P
80 75 70 65 60
EN 5 502 2 A Ele ct r i c Fie ld S t r eng t h 3 m b el ow 1GHz QP
55
Level in dBµV/m
50
EN 5 502 2 B Ele ct r i c Fie ld S t r eng t h 3 m b el ow 1GHz QP
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 30 M
50
60
80
100 M
20 0
30 0
40 0
50 0
80 0
1G
F re q u e n c y in H z
• Het spectrum in deze meting toont duidelijk de harmonische van een 125MHz en een 190MHz clock signaal • De hogere harmonische zijn in dit geval sterker dan de eigenlijke clock frequentie. De oorzaak hiervan is de lengte van het banen patroon en aanwezige bekabeling. 125 MHz heeft een λ van ongeveer 3meter. De kortere banen gaan zich op de hogere frequenties dus als efficienter werkende antennes gedragen. 21
Problems with High speed logic • Noodzaak voor goed ontworpen transmissie lijnen. • Afsluiten van de lijnen op hun impedantie • Goed ontworpen referentie vlakken(ground plane)
Signal Integrity
• Compacte opbouw (Compact real-estate) • Ontkoppeling van de voedingsspanningen • Filtering • Afscherming
22
Problems with High speed logic • Noodzaak voor goed ontworpen transmissie lijnen. • Afsluiten van de lijnen op hun impedantie • Goed ontworpen referentie vlakken(ground plane)
Signal Integrity
• Compacte opbouw (Compact real-estate) • Ontkoppeling van de voedingsspanningen • Filtering • Afscherming - Alle bovengenoemde maatregelen zijn op de een of andere manier gerelateerd aan de layout. Een goede layout zonder (te veel) compromissen is absoluut noodzakelijk voor succes. - Dit toont ook aan waarom het zo moeilijk is, zo niet vaak onmogelijk is om een snelle EMC fix uit te voeren op een bestaand ontwerp. - Doe het van de eerste keer juist ( of je moet het mogelijk opnieuw doen). 23
Problems with High speed logic De noodzaak van transmissie lijnen.
• Vergeleken met analoge of lage snelheid logica heersen er in High-speed digital ontwerpen frequentie componenten welke vele malen hoger zijn dan de eigenlijke schakel frequenties van de signalen als gevolg van de hoge stijg en daal tijden (rise and fall time) • Als de fysische lengte van een verbinding groter is dan 1/6 van de elektrische lengte van een signaal op deze verbinding dan moet je deze verbinding behandelen als een transmissie lijn.
24
Problems with High speed logic De noodzaak van transmissie lijnen. • Voorbeeld: Een typische transmissie lijn heeft een tpd (propagation delay) van 6.5ps/mm. Een high speed digitaal signaal met een trise of 1.5 ns (volgens de data sheet) heeft een elektrische lengte van trise /tpd = 1500ps/6.5 = 230mm De maximum toegelaten lengte van een lijn met dit signaal, zonder afsluiting, is daardoor beperkt tot 230mm/6 = 38mm • Om te onthouden: rise/fall tijden zijn altijd korter dan opgegeven in de datasheet, bovendien is, door capacitieve load, de propagatie delay in niet afgesloten lijnen hoger dan bij afgesloten lijnen. Nieuwe IC families en recente FPGA’s werken met clock frequenties in het GHz bereik en hebben rise/fall times in de sub ns dit soort van toepassing vereisen extra aandacht. 25
Problems with High speed logic Transmission lines.
26
Problems with High speed logic Transmission lines.
http://www.polarinstruments.com/ 27
High speed logic: Line Termination Signal Integrity: Transmission line termination:
28
High speed logic: Line Termination Signal Integrity: Transmission line termination:
29
High speed logic: Line Termination Signal Integrity:
30
High speed logic: Line Termination Signal Integrity: Transmission lines Mismatch:
Optimalisatie van de lijn aanpassing kan, tot op zekere hoogte, gebeuren door aanpassing van de serie weerstand
31
High speed logic: Line Termination Signal Integrity: Driving two transmission lines from one source:
Equal length 32
High speed logic: Signal Integrity analysis Perform a signal Integrity analysis after PCB design if possible
Example of a Hyperlynx analysis (IBIS models of used I/O required) http://www.mentor.com/pcb/hyperlynx/signal-integrity/
33
High speed logic: Reference Planes • Een elektrisch circuit is altijd een gesloten loop: • In een DC circuit kiest de “return current” altijd de weg van de minste weerstand (fig a) • Bij een hoge frequentie kiest de return current het pad van de laagste impedantie en dit is via het referentie vlak, net onder het signaal pad (fig b). • Als er echter een onderbreking in het referentie vlak is onder de signaal lijn dan moet de return stroom een andere weg kiezen waardoor een loop ontstaat (fig c). Hoe groter deze loop, hoe groter het mogelijk EMC probleem. • De onderbreking kan eventueel overbrugd worden door bvb een 0Ω weerstand (fig d) of het signaal kan omgelegd worden over een niet onderbroken referentie vlak.
34
High speed logic: Reference Planes Reference planes integrity
Signal crossing logic level limits
Difference in ground potential 500mV !!! 35
High speed logic: Reference Planes Reference planes
36
High speed logic: Reference Planes Reference planes
37
High speed logic: Power Supply Decoupling Power SUPPLY Ruis onderdrukking (Decoupling Capacitors)
• Indien de frequentie of de capaciteitswaarde 10x groter wordt dan zal de demping met 20dB toenemen. • De eigenlijke demping van een capaciteit neemt echter slechts toe tot een bepaalde frequentie, daarna zal deze terug afnemen door de aanwezige ESR – ESL. Voor klassieke ontkoppel caps is dit rond de 10MHz 38
High speed logic: Power Supply Decoupling Power SUPPLY Ruis onderdrukking (Decoupling Capacitors)
Parallel plaatsen van ontkoppel cap’s: Opgepast voor “antiresonance” ! Antiresonance is een fenomeen waarbij de eigen resonantie frequentie van twee capaciteiten verschillend is waardoor een parallel resonantie kring gevormd wordt in het frequentie gebied waarbij een cap inductief is en de andere capacitief. Het resultaat is een verhoogde impedantie en een sterk verminderde demping in dit gebied.
39
High speed logic: Power Supply Decoupling Power SUPPLY Ruis onderdrukking (Decoupling Capacitors)
Methodes om Antiresonance te voorkomen: • Plaats een resonantie onderdrukkend component vb ferriet bead tussen de cap’s • Gebruik enkel identieke cap’s (met dezelfde eigen resonantie frequentie) • Indien combinaties van cap’s gemaakt worden met verschillende waarden gebruik dan cap’s welke maximum 10/1 verschillen van waarde. • Gebruik 1 high performance cap/chip ipv meerdere (minder goede) in parallel. 40
High speed logic: Power Supply Decoupling Power SUPPLY Ruis onderdrukking (Decoupling Capacitors)
41
High speed logic Real-Estate, Filtering & Shielding Basis regels: • Hou al de snelle logica dicht bij elkaar in de layout. • Bepaal bij de start van de layout een afgebakende zone waarin al de snelle logica een plaatsje moet krijgen en omgeef deze zone met een breed massa spoor (guard trace) waarop een afscherming kan gemonteerd worden. • Een afscherming (Faraday cage) is enkel maar effectief als deze over 360° gesloten is. Digitale of analoge lijnen die deze zone binnenkomen of verlaten moeten gefilterd worden of via een ononderbroken afscherming buiten de zone gevoerd worden (vb dmv een stripline met stiching groundplanes en lijn terminatie) • Voorzie altijd lijn terminatie in deze zone voor de high speed lijnen.
42
High speed logic Real-Estate, Filtering & Shielding Compact real-estate, Filtering and Shielding.
43
High speed logic Real-Estate Compact real-estate, Filtering and Shielding.
44
High speed logic Filtering Waarom statische en analoge I/O lijnen filteren? •Alle lijnen welke rechtstreeks met high speed LSI logic verbonden zijn brengen de ruis van de LSI core naar buiten.
• De core van een LSI is verbonden met het massa vlak van de PCB (referentie vlak) dmv bonding draden en korte layout banen. Deze verbindingen zijn inductief waardoor er tijdens het schakelen een spanningsval ontstaat over deze verbindingen (ground bounce). Al de lijnen verbonden met deze core bewegen dus tov het referentie vlak, ook de langzame digitale lijnen, de ingangen en de analoge I/O lijnen. Als deze lijnen ongefilterd de afgeschermde zone, en/of het board, verlaten dan zullen deze als antennes de core ruis uitstralen.
45
High speed logic Filtering Om goed werkende filters te implementeren moeten we een maximale impedantie sprong veroorzaken op de frequenties van toepassing voor uitstraling of instraling Indien de source and load impedanties, gezien door een Differential or Common Mode stroom, beiden laag zijn, rekening houdend met de impedanties van het return pad, dan is een “Tee” filter met (R or L) de beste keuze. Indien de source and load impedanties allebei hoog zijn dan is een π (Pi) filter de beste keuze.
Indien de source impedantie laag is en de load impedantie hoog (of vice-versa) dan is een RC of LC, met de R of L verbonden met de lage impedantie kant de beste keuze. 46
Slow and low power Electronic No Worries? •
Analoge elektronica en trage logica veroorzaken meestal niet veel EMC storingen. En ontwerpers hebben daardoor soms de neiging om EMC testen niet te laten uitvoeren.
•
Dit type van schakeling is echter vaak hoog impedant en heeft geen I/O filtering of afscherming. Hierdoor zijn deze schakelingen vaak erg gevoelig voor al de andere EMC testen: – – – –
Radiated susceptibility EFT Fast transients ESD …
•
Zorgvuldig ontwerp en toepassing van filtering en mogelijk afscherming zijn dus ook hier erg belangrijk.
•
Een EMC test doe je er niet enkel omdat het moet, een EMC test zal je de zwakke punten van je design tonen voordat je een product op de markt brengt. Dit spaart je geld want een product na levering moeten retrofitten, kost handen vol geld!
47
Some Usefull references • Good EMC Engineering Practices in the Design and Construction of Industrial Cabinets http://www.reo.co.uk/files/industrial_cabinet_emc_guide.pdf • Cherry Clough Consultants http://www.cherryclough.com/publications •High-Speed Layout Guidelines: Texas Instruments Application Report SCAA082 http://www.ti.com/lit/an/scaa082/scaa082.pdf • Application Manual for Power Supply Noise Suppression http://www.murata.com/products/catalog/pdf/c39e.pdf
48
QUESTIONS ?
Karel Pauwels Field Application Engineer
[email protected] 49
