Analiza emisiilor de interferențe în sistemele electronice

Scurtă descriere

Imaginați-vă pentru o clipă că încercați o mașină nouă: vă așezați într-unul dintre scaunele ergonomice, porniți motorul și, în mod ideal, doriți să ascultați muzică. Dar când îl porniți, observați brusc niște efecte secundare interesante. De exemplu, se aprinde o lumină în habitaclu. Sau radioul începe să fluiere și să bâzâie.

Acestea sunt fenomene relativ inofensive. Pot apărea probleme mult mai grave, care pot compromite chiar siguranța la volan sau afecta funcțiile vehiculului.

Interferențele de înaltă frecvență sunt foarte deranjante în mașinile electrice moderne, vehiculele hibride sau sistemele electronice complexe care asigură siguranța și confortul șoferului.

Figura 1: O componentă radiază către structura metalică a scaunului șoferului printr-un câmp electric apropiat. Scaunul șoferului, astfel excitat, radiază emisii către antena vehiculului care interferează cu recepția radio.

Probleme de măsurare și analiză

De obicei, emisiile nu sunt cauzate de componenta electronică în ansamblu, ci de un singur dispozitiv. Un dispozitiv, cum ar fi un rezonator cu cristal sau un microcontroler, generează câmpuri electromagnetice locale care induc tensiuni în carcase sau piese structurale. Aceste piese sunt apoi induse să oscileze și, ca urmare, să radieze emisii. Dezvoltatorul va verifica cu siguranță componentele sale pentru emisii efectuând măsurători ale componentelor într-o cameră de testare EMC în timpul procesului de testare. Cu toate acestea, aceste măsurători vor măsura emisiile doar din întregul dispozitiv. Metodele de măsurare utilizate în astfel de teste nu pot evalua în mod adecvat câmpurile apropiate ale dispozitivului. Atunci când efectuează măsurători folosind metode convenționale, dezvoltatorul nu poate interfera direct cu dispozitivul, nu poate măsura secțiunile individuale ale componentelor mai precis sau nu poate face nimic pentru a ajunge la fundul sursei de emisie. Aceștia își scot dispozitivul din camera EMC, îl pun în ambalajul său și îl duc înapoi la spațiul lor de lucru. O altă problemă a acestor metode de măsurare a componentelor este că aceasta este testată în afara mediului real al vehiculului, iar frecvențele emisiilor pot să nu fie măsurate, deoarece altfel componentele structurale adiacente nu sunt stimulate să oscileze.

Înapoi la locul de muncă, dezvoltatorul poate doar să compare imaginile de frecvență din testul componentelor cu cele obținute din experiența altor procese de dezvoltare și să facă presupuneri despre cauzele problemelor. Pe baza acestor presupuneri, modifică apoi dispozitivul testat. Doar măsurătorile de testare suplimentare în camera EMC vor dezvălui dacă acest lucru a fost corect și eficient. Configurarea măsurătorii trebuie repetată pentru măsurătorile componentelor noi. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, componenta, în special cablajul, nu poate fi readusă într-o poziție absolut identică. Acest lucru provoacă abateri ale măsurătorilor. Caracteristicile răspunsului în frecvență măsurate în diferite etape de dezvoltare ale dispozitivului testat nu pot fi comparate imediat și flexibil. Proiectantul trebuie să pună protocoalele individuale una lângă alta și să le compare pas cu pas.

Această abordare a dezvoltării componentelor EMC este consumatoare de timp, complexă și nesatisfăcătoare pentru dezvoltator - necesitând eforturi semnificative și ducând la costuri ridicate.

Căutare eficientă a surselor de emisie

Acest lucru necesită o căutare mai eficientă a surselor de emisie în sistemele electronice complexe în timpul dezvoltării. Inginerul trebuie să poată măsura cât mai multe surse de interferență, să identifice sistematic sursele de radiofrecvență și să efectueze modificări și teste flexibil la locul de muncă pentru a economisi timp și costuri.

Să analizăm acum cum o componentă poate deveni o sursă de emisii.

Un ansamblu electronic sau un conductor imprimat în sine nu emite de obicei emisii. Cu toate acestea, dispozitivele individuale pot genera câmpuri de radiofrecvență în câmp apropiat, care, de exemplu, înconjoară cablurile conectate. Acestea induc tensiuni acolo, provocând astfel radiația acestora. Din cauza cuplajului electric sau magnetic (adică în câmpul apropiat), întregul sistem metalic, format din componentă și cablurile sale conectate, precum și piesele metalice precum carcasele, plăcile de ecranare etc. din imediata sa vecinătate, este supus „autoexcitării” (Figura 2).

Figura 2: Un microcontroler plasat pe componentă radiază un câmp magnetic. Acest câmp înconjoară coloana de direcție, unde induce o tensiune. Această tensiune stimulează coloana de direcție să emită emisii care pot perturba componentele sensibile din apropierea scaunului șoferului.

Sistem de măsurare

Vom descrie acum sistemul de măsurare care îndeplinește cerințele noastre pentru dezvoltarea eficientă a componentelor în ceea ce privește emisiile.

Emisiile sunt măsurate în condiții de măsurare convenționale, de exemplu, folosind o antenă. Dispozitivul testat trebuie modificat dacă una sau mai multe frecvențe ale eșantionului testat depășesc limitele specificate în standardul relevant. Valorile obținute în urma acestei măsurători sunt utilizate ca referință pentru măsurători comparative ulterioare (Figura 3).

Figura 3: Sistem ESA1 cu software ChipScan-ESA și analizor de spectru

Pentru o componentă care prezintă emisii în testele EMC, măsurarea directă este posibilă pe dispozitivul real, chiar și atunci când acesta se află într-un mediu de aplicație real. Măsurarea poate fi efectuată direct în incinta cortului EMC. Acest lucru necesită doar ca porturile externe să fie conectate corect la incinta cortului.

Metoda de măsurare corectă pentru măsurarea precisă a emisiilor implică analiza câmpurilor electromagnetice directe din jurul componentei folosind detectoare de frecvență pentru a evalua cauza și eficacitatea protecției EMC.

Figura 4: Măsurarea câmpurilor electromagnetice din jurul unei componente folosind un detector de frecvență

Un detector de frecvență este utilizat pentru a înregistra și analiza câmpurile apropiate din jurul și din vecinătatea unei componente pentru a localiza sursa emisiei. Dispozitivele de acest tip pot măsura direct emisiile provenite de la o componentă în mediul său real, permițând inginerilor să identifice și să modifice rapid sursele de interferență și să optimizeze mai eficient protecția EMC.

Rezumat

Gestionarea adecvată a emisiilor în timpul dezvoltării componentelor electronice este crucială pentru asigurarea funcționalității și conformității acestora cu standardele EMC. Dezvoltarea unui sistem de măsurare eficient și analizarea câmpurilor electromagnetice în mediul real al componentei permite identificarea mai rapidă și mai precisă a surselor de interferență și optimizarea proiectării componentelor pentru a asigura funcționarea corectă a acestora.