Käytä oikeaa valmista metallikuorta ja oikeita kiinnikkeitä EMI/RFI-häiriöiltä suojautumiseen

Nykypäivänä virtapiirit uivat sähkömagneettisen (EM) energian meressä, jonka voimakkuus ja taajuudet vaihtelevat. Tämän seurauksena EM-häiriöt (EMI) ja radiotaajuushäiriöt (RFI) – jotka usein yhdistetään sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) tekijöiksi – ovat kaikkialla vaikuttava ja toisiinsa liittyvä ilmiö, joka vaikuttaa virtapiirin suorituskykyyn ja tuotteen viralliseen hyväksyntään. Vaikka nämä ovat olleet huolenaiheita elektroniikan alkupäivistä lähtien, ne muodostavat nyt yhä vaikeampia haasteita koska langattomat yhteydet ovat laajasti saatavilla, käytettävät taajuudet ovat korkeampia, virtapiirit ovat herkempiä ja jännitetasot ovat alhaisempia.

Virtapiiriin vaikuttava häiriö voi olla sekä tarkoituksellista että tahatonta ja se voi tulla lähellä sijaitsevista sähkömagneettisen energian emittoijista ja se voi syntyä ihmistekoisista tai luonnollisista lähteistä.  Virtapiiri voi itse emittoida ei-toivottua ja ei-hyväksyttävää EM-energiaa, joka vaikuttaa lähellä sijaitsevaan elektroniikkaan. Yksi yleisimpiä tapoja vähentää EMI/RFI-energiaan liittyviä ongelmia on asettaa suojus virtapiirin kriittisten osien tai jopa koko moduulin ympärille. Koealusta- ja prototyyppivaiheissa tämä suojaus voidaan improvisoida ongelman ymmärtämistä, vähentämistä ja ratkaisemista varten. Tällaiset improvisoidut ratkaisut eivät kuitenkaan sopi tuotantoympäristöön eikä testaus-, virheenkorjaus- ja korjausasemiin.

Tämä artikkeli identifioi EMC-häiriöiden perushaasteet piirilevyillä, kokoonpanoissa ja tuotteissa. Tämän jälkeen artikkelissa tutustutaan Harwin yrityksen valmiisiin suojusratkaisuihin sekä siihen miten käyttää niitä tavalla, joka on teknisesti tehokas ja yhteensopiva tuotannon kanssa.

EMC-ongelmat vaikuttavat kahdella tavalla

Sähköinen häiriöenergia voi siirtyä lähteestä kohdevirtapiiriin johtumalla tai säteilemällä (kuva 1). Energian johtuessa se kulkee johtimia kuten johtoja ja kaapeleita pitkin. Suunnittelijat tavallisesti vaimentavat tätä energiaa käyttämällä ferriittirenkaita, suodattimia, kuristimia ja muita passiivikomponentteja. Energian säteillessä se kulkee lähteestä kohteeseen ilman tai tyhjiön läpi ilman metallijohtimia.

Kuva 1: Ei-toivottu EM-energia voi päästä järjestelmään tai karata siitä johtumalla johtimien kautta tai säteilemällä ilman tai tyhjiön läpi. (Kuvan lähde: Slideshare.net, “Overview of EMI/EMC”)

Näitä ei-toivottuja vaikutuksia voidaan joskus vähentää sijoittelemalla lähteen tai kohteen komponentit eri tavalla, mutta tämä on aikaa vievä prosessi ja se on tavallisesti epäkäytännöllistä, mahdotonta tai tehotonta. Samalla tavoin suodatus ei ole toimiva vaihtoehto, koska suuri osa EMI/RFI-energiahäiriöistä sijaitsee käytettävällä radiotaajuuskaistalla (RF) ja tällainen suodatus heikentäisi myös haluttua signaalia ja tällä tavoin heikentäisi järjestelmän suorituskykyä.

Eräissä EMI-häiriönsäteilytapauksissa käytetään hajaspektritekniikkaa, jossa EMI-säteilyn huippuarvoja vähennetään käyttötaajuudella. Tässä menetelmässä virtapiirin kelloa siirrellään satunnaisesti sen nimellistaajuuden ympärillä ikään kuin eräänlaisena taajuushyppelynä. Tämä jakaa RF-energian taajuusalueelle, mutta se ei vähennä emittoitua kokonaisenergiaa (kuva 2).

Kuva 2: Kellon moduloiminen laajentaa RF-spektriä ja laskee energian huippuarvoja, mutta se ei vähennä ei-toivotun EM-energian kokonaismäärää; huippuarvojen vaimentaminen saattaa olla riittävä parannus joissain sovelluksissa. (Kuvan lähde: DigiKey)

Osa suunnittelijoista pitää hajaspektrimenetelmää ”huijauksena”, koska sen päämotivaationa toimii emissiorajojen alittaminen kun toisten mielestä se taas on yksinkertainen ja elegantti ratkaisu. Tätä voidaan käyttää ennen kaikkea DC-DC-hakkuriregulaattoreissa, joissa kiinteä käyttötaajuus ei ole kriittinen. Hajaspektri-taajuushyppelyä ei kuitenkaan voida käyttää monissa tilanteissa, joissa kantajan ja käyttötaajuuden vakaus on kriittistä.

Passiivinen suojaus: usein vastaus

Useimmissa EMC-tapauksissa suunnittelija ei voi vaikuttaa häiritsevään energiapiiriin. Kuitenkin häiriöitä on vähennettävä joko lähteessä tai kohteessa. Tehokas ja laajasti käytetty ratkaisu EMI/RFI-säteilyn vähentämiseksi on tilanteesta riippuen lisätä maadoitettu metallikuori häiriöenergialähteen tai kohteen ympärille. Tämä sisältää kaksi suunnitteluongelmaa:

• Mitkä alueet piirilevystä on suojattava?
• Miten kyseinen suojaus tulisi toteuttaa tuotantoympäristöä varten niin että se minimoi markkinoilletuontiajan, kustannukset ja vaikutukset tuotantoon?

Useissa tapauksissa suojausta tarvitsevat alueet ovat selviä, esimerkiksi RF-lähetin-vastaanotin-osa, mutta toisissa saattaa vaatia useita yrityksiä löytää virtapiirin osa, joka joko lähettää liikaa EMI/RFI-häiriöitä tai on niille liian herkkä. Näiden alueiden löytämiseksi suunnittelijat usein rakentavat pienen EMI-tiiviin laatikon, jolla tarkkailtava alue voidaan rajoittaa ja suojata. Tuotteesta ja mallista riippuen tällaisen laatikon on ehkä oltava vain kynnen kokoinen tai tarpeeksi suuri koko piirilevyn kattamiseksi.

Pienemmissä RF-koteloissa on mahdollista käyttää ohutta laatikoksi taiteltua kuparilevyä, jossa saumat on joko juotettu tai peitetty kupariteipillä, jossa käytetään sähköä johtavaa liimaa. Päällystetystä piirilevystä voidaan leikata keskikokoisia tai suuria koteloita varten halutun kokoiset palat laatikon tekemiseksi, minkä jälkeen kaikki saumat teipataan tai juotetaan (kuva 3). Eräissä tapauksissa saumat ensin pistejuotetaan muutamasta pisteestä perusrakenteen saamiseksi ja sen jälkeen ne peitetään johtavalla teipillä.

Kuva 3: Tämä suojus (kansi poistettuna) pienen piirilevyn ympärillä on rakennettu pienistä kappaleista etsaamatonta päällystettyä levyä ja siinä käytetään juotettuja saumoja. (Kuvan lähde: QRP HomeBuilder)

Laatikko asetetaan tämän jälkeen piirilevyn tarkasteltavan osan päälle ja sauma laatikon avoimen pohjan ja piirilevyn välissä juotetaan kiinni impedanssiltaan matalaan RF-maahan. Käytännössä tämä saattaa olla haastavampaa kuin miltä se kuulostaa, koska piirilevyllä ei yleensä ole maadoitusjohdinta, joka vastaisi rakennetun kuoren ulkoreunoja. Vaikka muutamakin kytkentäpiste saattaa riittää, jatkuvampi maadoitussauma tarkoittaa, että RF-vuodoille on vähemmän reittejä kuoresta ulos tai sen sisälle.

Tässä juotosmenetelmässä on toinenkin huolenaihe. Koska useiden piirilevyjen johtimet ovat ohuita, testikuoren juottaminen ja sen poisto todennäköisesti vahingoittavat herkkiä johtimia ja tärvelevät piirilevyn. Siksi on hyvä idea suorittaa mittauksia käyttäen RF-mittapäitä ja -nuuskimia ennen näiden suojakuorien rakentamista ja kiinnitystä.

Parempi menetelmä prototyypin suojaukseen

Suojakuoren valmistaminen kuparifoliosta tai kuparipäällysteisestä piirilevystä toimii, mutta se vie aikaa. Se vaatii myös FR-4-substraatin käsittelyä (piirilevyjä käytettäessä), jota on vaikea leikata ilman oikeita välineitä ja joka jättää käyttäjän sormiin ikäviä lasikuitutikkuja, ellei tämä käytä suojakäsineitä. Jopa pelkkien kuparilevyjen käytössäkin on omat ongelmansa, koska ne saattavat viiltää sormia ellei niitä käsitellä huolellisesti ja ne saattavat vaatia pienen taivutuskoneen käyttöä kunnon 90°-taitoksien saamiseksi reunoihin ja kulmiin. Mikä saattaa aluksi näyttää yksinkertaiselta DIY-tavalta suojaustestilaatikon rakentamiseksi ei olekaan yhtä nopeaa ja helppoa kuin miltä se näyttää, vaikkakin se varmasti on tehtävissä.

Onneksi tähän on parempi ratkaisu käyttämällä Harwinin S01-806005 RFI -suojakuorisarjaa. Tämä sarja sisältää kaksi suojakuorilevyä, joihin on etsattu 5 millimetrin (mm) ruudukko, 24 RFI-suojaklipsiä sekä helposti seurattavat ohjeet. Taitettu peruslaatikko tehdään piirtämällä yksinkertainen diagrammi laatikon halutuilla mitoilla, leikkaamalla ylimääräinen materiaali pois ja taittamalla jäljelle jäänyt materiaali etsattuja viivoja pitkin käyttämällä metalliviivoitinta oppaana ja epävirallisena taittotyökaluna (kuva 4).

Kuva 4: Käyttämällä Harwin S01-806005 RFI -suojakuorisarjaa käyttäjät voivat helposti rakentaa haluamansa kokoisen suojakuoren käyttäen sarjan metalliarkkeja ja etsattua 5 mm:n ruudukkoa. (Kuvan lähde: Harwin)

Kuori on nyt valmis asennettavaksi piirilevylle napsauttamalla se yksinkertaisesti sarjan mukana toimitettaviin S1711-46R RFI -suojaklipseihin, jotka voidaan sulatusjuottaa piirilevyyn tai juottaa ne käsin (kuva 5). Tämä on paljon parempi menetelmä kuin yrittää juottaa kuori suoraan piirilevyyn. Sen ansiosta kuori on myös helppo irrottaa tarpeen mukaan suojatun virtapiirin testaamista, mittausta, arviointia ja virheenkorjausta varten.

Kuva 5: Sarjan mukana toimitettu S1711-46R RFI -suojaklipsi juotetaan piirilevyyn ja tämän jälkeen kaikki S01-806005 RFI -suojakuorisarjasta rakennetut kuoret voidaan helposti napsauttaa siihen. (Kuvan lähde: Harwin)

Prototyyppi poikkeaa tuotannosta

Vaikka itsetehdyt kuoret ja Harwinin suojakuorisarja saattavat ohjata EMC-ratkaisuun, ne eivät sovi volyymiltään korkeaan eikä edes volyymiltään alhaiseen tuotantoon. Suurien kuorimäärien rakentaminen piirilevyn palasista tai taivutetusta kuparista vaatii selvästikin ylimääräisiä tuotantovaiheita sekä aikaa, ja tämä on ei-standardi tuote lisättäväksi BOM-osaluetteloon. Vaikka tämä voitaisiinkin hyväksyä, niiden kiinnitys piirilevylle juottamalla kotelon ja piirilevyn välistä liitosta pitkin on manuaalinen operaatio, toisin kuin muiden komponenttien tavallinen sulatusjuotos. Myös piirilevyn vaurioitumisen todennäköisyys on korkea ja sen poistaminen testausta tai korjausta varten on epäkäytännöllistä.

Tämänkin ongelman ratkaisemiseen on parempi tapa käyttäen Harwinin valmiita RF-suojakuoria ja niitä vastaavia asennusklipsejä. Nämä RF-johtavuudeltaan korkeat pinnoittamattomat nelikulmaiset nikkelihopeakuoret ovat saatavana laajassa valikoimassa erilaisia kokoja ja korkeuksia aina pikkuruisesta 10 mm x 10 mm x 3 mm korkeasta (0,394 x 0,394 x 0,12 tuumaa) 0,15 mm:n materiaalipaksuudella olevasta S03-10100300R-suojasta (kuva 6) suurempiin kuoriin kuten S01-50250500, jonka mitat ovat 25 mm x 50 mm x 5 mm korkea (noin 1 x 2 x 0,25 tuumaa) paksuudella 0,3 mm.

Kuva 6: Harwinin S03-10100300R-suojakuoren mitat ovat 10 mm x 10 mm x 3 mm korkeus (0,394 x 0,394 x 0,12 tuumaa) ja se sopii hyvin nykyisille pienikokoisille RF-piireille. (Kuvan lähde: Harwin)

Nämä kuoret ratkaisevat yksinään vain osan tuotantoystävällisistä vaatimuksista. Tästä syystä Harwin tarjoaa laajan valikoiman klipsejä, jotka voidaan sulatusjuottaa piirilevylle (kuva 7) ja joihin kuori voidaan napsauttaa paikoilleen. Erilaiset klipsit sopivat erilaisiin piirilevytilanteisiin asettelun, orientaation, käytettävyyden sekä viereisten piirilevyn johtimien ja alueiden häiriöiden samoin kuin kuorimateriaalin paksuuden suhteen .

Kuva 7: Lisäklipsit kuoren asennukseen täydentävät suojaus- ja asennusratkaisun ja niitä on saatavana erimallisina ja eri kokoisina kuoren paksuuden mukaisesti. Niitä on myös erimallisina erilaisia piirilevyjä varten. (Kuvan lähde: Harwin)

Jotkin klipsimallit on tarkoitettu sovelluksiin mobiililaitteissa ja niissä on antenniliittimet. Ne voivat myös tarjota suojauksen ylikompressiolta ja ehkäistä odottamatonta takertelua ja niitä voidaan käyttää vertikaalisesti tai horisontaalisesti. Saatavana on mikroklipsejä, joiden profiilikorkeus on vain 1,1 mm samoin kuin 90⁰:n kulmaklipsejä, joilla vähennetään paikallisia pyörrehäiriöitä.

RF-vaimennuksen ja jäähdytyksen huomioiminen

Virtapiirin komponentteja ympäröiviä kiinteäpintaisia metallikuoria koskee seuraava sääntö: ne voivat haitata jäähdytysilmavirtaa niiden sisällä olevien komponenttien pinnoilta. Tämä saattaisi näyttää estävän suojakuorien käytön monissa sovelluksissa, mutta näin ei ole. Tämä johtuu siitä, että metallikuori on varsin ohut, 0,15–0,3 millimetriä kuorimallista ja koosta riippuen. Tämä on niin ohut, että muodostaa lämmön siirtymiselle vain pienen esteen ja lämpö johtuu kuoren sisältä sen ulkopuolelle. Kun lämpö on siirtynyt ulkopinnalle, se voidaan ohjata muualle käyttäen vapaata tai koneistettua ilmavirtausta tai muilla tavoin.

Tässä suhteessa ohut metallikuori on termisesti paljon parempi kuin tavallisesta FR-4-piirilevymateriaalista valmistettu suojakuori, joka muodostaa paljon korkeamman termisen impedanssiesteen, jonka johtavuus on 1–3 wattia/metri-Kelvin (W/m-K) ja jonka normaalipaksuus on 1,6 millimetriä. Vertaa tätä arvoa nikkelihopean johtavuuteen, joka on noin 1000 kertaa korkeampi sekä paljon ohuempi (vain 0,15–0,3 millimetriä). Terminen perusmallinnus voi kvantifioida ohuen metallikuoren vaikutuksen jäähdytykseen. Miltei kaikissa tapauksissa on myös hyvä käytäntö noudattaa standarditekniikkaa ja käyttää alla olevan piirilevyn kuparia ja sen korkeaa termistä johtavuutta ohjaamaan poispäin merkittävä lämpömäärä asennetuista komponenteista.

Yksi ilmeinen ratkaisu suojakuorien termisen johtavuuden parantamiseksi on tehdä kuoren pintaan reikiä. Tämä tuo kuitenkin mukanaan uuden joukon ongelmia. Reikien on oltava tarpeeksi pieniä ja tarpeeksi kaukana toisistaan RF-vuodon estämiseksi. Koska suurin sallittu halkaisija ja etäisyys ovat aallonpituuden funktioita, tyypillinen ensimmäisen vaiheen ohje on, että yhdenkään aukon ei tule olla suurempi kuin yksi kymmenesosa lyhimmästä suojatusta aallonpituudesta.

Kriittisen aallonpituuden ja näinollen reiän koon päättäminen ei ole aina helppoa eikä selvää, koska RF-häiriöenergia saattaa esiintyä taajuuksilla, jotka ovat korkeampia (ja näin ollen niiden aallonpituus on lyhyempi) kuin tuotteen ilmeinen käyttötaajuus tai kantoaaltotaajuus. Huomaa, että gigahertsin häiriötaajuussignaali voi kuormittaa ja saturoida lähellä olevan megahertsin taajuuden etuastevahvistimessa. Näin ollen suurimman sallitun reikäkoon olisi oltava paljon pienempi kuin yksinkertainen ensimmäisen vaiheen analyysi tuotteen käyttötaajuudesta antaisi ymmärtää.

Pidä mielessä, että suojakuoren ja klipsien tavoitteena voi virtapiirin suorituskyvyn lisäksi olla RF-vaimennuksen tarjoaminen laajalla taajuusalueella tuotteen lakisääteisten vaatimuksien täyttämiseksi. Nämä EMC-häiriöitä koskevat lakisääteiset vaatimukset määrittävät suurimman sallitun RFI/EMI-häiriön, jonka tuote voi synnyttää määrätyillä RF-spektrin alueilla, samoin kuin miten herkkä tuote saa olla EMI/RFI-häiriöille, nimellisestä käyttötaajuudesta riippumatta.

Tästä syystä suojauksen on usein tehtävä enemmän kuin vain toimittava ilmeisellä käyttötaajuudella, ja sen sijaan sen on ehkä tarjottava vaimennus koko laajemmalla EM-spektrillä. Jos jäähdytysreiät on mitoitettu ainoastaan nimellisen käyttötaajuuden mukaan, tämä voi heikentää vaimennusta näillä lyhyemmillä aallonpituuksilla ja tämä saattaa vaikuttaa viranomaishyväksyntiin.

Yhteenveto

Sähkömagneettinen yhteensopivuus ja RFI/EMI-ongelmat vaikuttavat lähes kaikkiin elektroniikkatuotteisiin ja -sovelluksiin. Langattomien yhteyksien kasvanut käyttö ja korkeammat taajuudet tekevät suunnittelusta paljon haastavampaa. Ratkaisu useisiin EMI/RFI-säteilystä aiheutuviin ongelmiin sisältää usein RF-perussuojauksen, jossa käytetään metallikuorta kyseisen virtapiirin täydelliseen peittämiseen.

Näitä kuoria on saatavana valmiina erikokoisina tuotteina ja valikoimalla piirilevyyn kiinnitettäviä klipsejä eri konfiguraatioissa. Näiden ansiosta kuoret voidaan kiinnittää helposti piirilevyyn ja irrottaa siitä. Nämä klipsit sopivat myös käytettäväksi SMT-pakattujen komponenttien asetus- ja juotoslaitteiden kanssa volyymiltään korkeissa tuotantoympäristöissä.