Du har konstruerat en elektronikmodul, ett switchaggregat, en motordrive, en datordel, en förstärkare eller något liknande och det ser bra ut på papperet, men när den körs igång stör den antingen ihjäl sig själv, stör elektroniken i omgivningen, eller klarar inte EMC-mätningarna, så att den inte kan säljas. Vad gör du?

Du kan gissa, eller också kan du scanna den med Detectus EMC-scanner som kan peka ut exakt vilken komponent eller ledning på kretskortet som stör, hur mycket och i vilka frekvensband. Scannern visar också var och på vilka kablar och ledare som signalen läcker ut ur apparatlådan. Med bevis i handen kan du enkelt åtgärda problemen.

Detectus eget begrepp ”Visual Noise Detection” låter lite tamt. Plötsligt har du fått ögon känsliga för EMI! Gigahertz-ögon!

Kan du se den elektromagnetiska störningen (EMI) kan du också ändra din konstruktion för att åstadkomma elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och uppfylla lagar och regler.

Skärmat rum med bredbandig antenn för störmätningar. Bild: Stan Zurek, CC BY-SA 3.0

Det traditionella sättet att mäta utstrålad störning är att ställa din konstruktion i ett skärmat rum och antingen mäta med en känslig analysator, eller stråla med en radiosändare för att se hur mycket apparaten tål. Det är ett trubbigt vapen. Man mäter hela objektet på en gång. Det går inte att peka ut enskilda komponenter.

Detectus EMC-scanner fungerar som ett mikroskop i sammanhanget och kan peka ut en störkälla ned på några hundradels millimeter när. Om du vänder funktionen och låter scannern störa, blir den istället en immunitets-scanner.

För dig som inte konstruerar elektronik

EMC, Electromagnetic Compatibility, störimmunitet, samexistens är en tung post, huvudsakligen för konstruktörer av kraftelektronik, men i övrigt för all typ av elektronik. All elektronik som säljs måste kunna tåla en viss mängd störningar från omgivningen och får inte avge störningar som bryter mot exempelvis EUs EMC-direktiv. Tyvärr avger all modern elektronik störningar och drabbas den av för mycket av störningar kommer den att sluta fungera. Det kan vara tråkigt om det inträffar i exempelvis i ett flygplan eller en bil på motorvägen.

Modern elektronik är baserad på korta omslagstider och höga strömmar under korta tider som skapar störningar uppåt gigahertzfrekvenser. Exempel på utrustning som inte tål störningar i dessa frekvensband är mobiltelefoner, radar, satelliter och liknande. Alternativt stör utrustningen ihjäl sig själv.

Det ojämförligt vanligaste fallet är när du får ett samtal på mobilen och råkar hålla den nära en radio, stereo, högtalare eller liknande och hör det vanliga rattatatatatt när telefonen sänder. Så ska det inte låta, men det gör det eftersom den störda elektroniken inte är tillräckligt störtålig.

En elektronikkonstruktör måste kunna förstå hur dennes elektronik stör och blir störd, men det blir allt svårare, ju mindre och kompaktare utrustningen blir, alternativt ju högre effekter utrustningen arbetar med. Kraftaggregat för exempelvis motordrivning ska ständigt göras kraftfullare, medan störnivåerna måste hållas i schack. När utströmmarna går uppåt 900 ampere och skärmning av kraftkablagen anses för dyrt, ställs det mycket hårda krav på konstruktörens EMC-arbete. Försöker man använda sig av längre omslagstider i halvledarna för att alstra färre störningar, blir halvledarna istället varmare, vilket ökar kraven på kylning.

30-40 % av utrymmet i en spänningsomvandlare kan upptas av EMC-komponenter.

Men det finns kända botemedel. Det gäller bara att vet exakt var man ska sätta in dem för att få bäst effekt. Med en apparat som EMC-scannern i denna artikel går det att se exakt var störningarna alstras. Det gör konstruktörens liv många tiopotenser lättare.

Ordförklaring

EMI: Electromagnetic Interference, elektromagnetiska störningar, något man försöker undvika.

EMC: Electromagnetic Compatibility, störimmunitet, samexistens, något man försöker uppnå.

Huvudfunktioner

Scannern finns i två huvudsakliga varianter: RSE-321 som kan söka av ett objekt i ungefär A4-storlek och RSE-642 som kan söka av ett objekt i ungefär A3-storlek. Bilden visar scannern med den infraröda mätutrustningen monterad.

Upplösningar

Det finns två scannerfamiljer med olika upplösningar. Noggrannheten är inte alls illa. RSE-familjen används för större utrustningar och proben kan positionernas med ±0,5 mm. Den högupplösta HRE-familjen håller en upplösning på omkring 25 µm. Noggrannheten är så bra att du kan se exakt vilka pinnar på en integrerad krets som skickar ut störningar. Tillsatsen IC-Option innehåller en egen mikroskopkamera med en upplösning på 10 µm per pixel med inbyggd belysning.

Probar

Detectus kan leverera mätprobar (antenner eller närfältssonder) av olika typer som kan mäta elektriska och magnetiska fält mellan 9 kHz och 10 GHz. Dessutom finns antennversioner som kan vridas i scannern och användas till att mäta fältets riktning mellan 30 MHz och 6 GHz. För att felsöka enskilda IC-kretsar finns dessutom mikroskopiskt små probar som kan peka ut enskilda kretsben eller mindre.

Subtraktionsfunktion

Styrprogrammet kan subtrahera två eller flera mätningar från varandra för att peka ut skillnaderna. Det skulle aldrig vara möjligt med manuellt utförda mätningar eftersom en människa aldrig kan göra samma mätning om och om igen med tillräcklig repeterbarhet, mäta på exakt samma avstånd från olika komponenter osv, för att två mätfall skulle kunna bli helt jämförbara. Du kan jämföra två eller flera versioner av samma produkt, till exempel med olika stora avkopplingskondensatorer eller filter för att se om detta förändrar spridningen av störningar inom apparaten.

Profilföljning

För att inte komma för långt ifrån intressanta komponenter kan styrprogrammet läsa in CAD-filer på STL-format (Stereo Lithography) och följa utrustningens profil på ett angivet avstånd och peta sig ned i trånga passager. Proben kan följa objektets kontur, komponenternas höjder etc ned på till exempel 5-25 mm avstånd, vilket behövs för att få 10-15 dB signalbrusförhållande.

Infraröd mätning

Varma komponenter förkortar apparatens livslängd. Scannern kan förses med en infraröd sensor som ser våglängder mellan 8-14 µm så att du kan hitta enskilda överhettade komponenter så små som ett ytmonterat motstånd. Du kan också se hur värmen sprider sig i konstruktionen.

Översiktsbild behövs

Scannern har ingen översiktskamera, så innan mätningen börjar, tar man ett helt vanligt foto av kretskortet eller vad det kan vara, med exempelvis en mobiltelefon och överför fotot till styrprogrammet där man kan passa in bilden i scannerns koordinatsystem.

Var inte allt bättre förr?

Innan Detectus scannrar fanns, kunde man göra precis samma mätningar för hand med de probar som Langer marknadsför (se nedan), men två manuella mätningar av samma apparat skulle aldrig kunna bli jämförbara. Repeterbarhet skulle inte kunna uppnås.

Störmätning

Man börjar med att bestämma vilken emission som ska mätas, vilken typ av fel man är ute efter, termiskt, elektriskt eller magnetiskt, eller om man vill mäta störimmunitet.

Det vanligaste mätinstrumentet är en spektrumanalysator, som styrs från scannerns styrprogram via GPIB, USB eller Ethernet.

EMC-scannern består av en ”tämligen vanlig” scanner som kan flytta en mycket liten antenn i X-, Y- och Z-led över ett bord på vilket man placerat den elektronikmodul som ska undersökas med avseende på strålad störning i olika frekvensband. Med de typer av antenner som kan vridas i axiell led kan programmet dessutom hitta det ”värsta” scenariot. Det kan sägas bli till en fyrdimensionell avsökning.

Scannern styrs av en PC med ett program som dels visar mätresultaten och dels hanterar spektrumanalysatorn. Antennen stannar i varje punkt i det angivna koordinatsystemet, spektrumanalysatorn söker igenom hela det angivna frekvensbandet och mätvärdet lagras i programmet.

Efter mätningen visas en sammanställning i form av en bild av objektet och strålningsintensiteten i varje punkt som en färglagd karta i två eller tre dimensioner lagd ovanpå den visuella bilden av objektet. Hela spektrum visas i ett fönster, medan användaren kan peka ut valfri punkt i bilden och få exakt spektrum för bara denna punkt i ett annat fönster. Den färglagda kartan i bilden kan justeras till att visa ett smalare frekvensband för att ta ut enskilda frekvenser, enbart ett önskat frekvensband, till exempel höga frekvenser för att hitta snabba switchtransienter, övertoner och störningar från databussar, eller lägre frekvenser för att hitta EMI som kan leta sig ut från induktanser eller störfilter.

Här är resultatet av en mätning på ett kretskort med flera processorer. Analysatorn har mätt hela frekvensområdet 30-300 MHz i varje punkt. På de mest utsatta ställena hamnar störnivån på runt 18 dBµV. Diagrammet Accumulated trace visar att det faktiskt finns punkter som strålar upp till 25 dBµV vid 32 MHz. Markören (xyz-korset) har ställts på en mindre besvärlig krets i bildens mitt och där visar det andra diagrammet, en delförstoring kallad Trace at position en topp på 13 dBµV vid vidpass 82 MHz.

Nu ska du se upp. Fältet strålar rakt upp från kretskortet, eftersom detta oftast har ett internt jordplan. Finns det uppstickande plåtdetaljer, som skärmburkar etc på kortet kan de fungera som en spegel och reflektera strålningen. Det kan ge falska bilder. Ungefär detsamma gäller för termografering (värmefotografering).

Här visas ett enkelt mätfall i sex delar. Den röda pilen pekar på en avkopplingskondensator för matningsspänningen till en mikroprocessor. Normalt tar en elektronikkonstruktör till 10 nanofarad för att dämpa sådana störningar, men varför just 10 nF, eller 47 nF? Är det slentrian? Fungerar det tillfredsställande?

Kondensatorn på 10 nF löddes bort och konstruktionen kördes igång. Du ser resultatet längst nere till vänster (None). Inte nog med att mikroprocessorn sprutar störningar på cirka 24 dBµV i närområdet, de dyker upp i andra komponenter också, på andra ställen på kretskortet eftersom störströmmarna leds via maningsspänningen. En kondensator på 10 pF ger en mikroskopisk förbättring, inte värd att tala om. 100 pF likaså. När man kommer upp i 1 nF börjar dämpningen bli märkbar och vid 10 nF känns det inte meningsfyllt att gå högre. 100 nF ger ingen förbättring.

Branschpraxis på 10 nF visar sig alltså ha bergfast grund. Det brukar vara så med praxis. EMC-scannern visar att det är sant, och hur sant det är!

Störande elektronik byggs med fördel in i skärmande metallådor, som den här zinkburken med zinklock. Men tyvärr sluter locket inte tillräckligt tätt och en springa på 0,1 millimeter blir lätt till en slitsantenn som leder ut störstrålning på 28 dBµV runt 480 MHz. Det hjälper inte att dra åt skruvarna, för då buktar sig locket bara mer.

Vad är felet? Burken saknar EMI-tätning. Lösningen är enkel när man ser det: skaffa en riktig EMI-tät ledande packning till locket.

Med en scanner av HRE-typ (High Resolution) kan man se var en integrerad krets alstrar störningar. Arbetsområdet i denna bild är 22×12 mm. Det går å andra sidan att få en upplösning nedåt 25 µm och det kan hjälpa både elektronik- och kretskonstruktörer att dels hitta bästa metoden för att störa av och dels förbättra masken, alltså kretsens inre uppbyggnad för att åstadkomma mindre störningar.

Mätningen har gjorts riktigt nära, på bara ett par millimeters avstånd och störnivåerna ligger kring 51 dBµV.

Immunitetsmätning

Hur bra tål din i övrigt genialiska och väl avstörda apparat störningar utifrån? Är skärmningen tillräckligt effektiv?

Vid en traditionell mätning i skärmrum kan man bara stråla mot hela utrustningen och höja effektnivån tills utrustningen fallerar. Sedan får man prova olika erfarenhetsmässiga lösningar, som att skärma lite här och lite där för att se om resultatet förbättras. Nästa steg är att prova manuellt med en liten antennprob riktigt nära och söka av utrustningen för att se de känsliga ställena. Problemet med det är att undersökningen aldrig kan bli repeterbar, dvs en människa kan inte göra om samma undersökning igen med tillräcklig likformighet för att man säkert ska kunna se vilket resultat en avstörningsåtgärd fick

EMC-scannern i immunitetsläge (den har då blivit en immunitets-scanner) kan göra det repeterbart, för en enda utrustning eller för en mängd apparater stickprovstagna på en produktionslinje, om man vill undersöka om kvaliteten försämras med tiden.

Provet går till så att kunden själv får välja vilken utrustning denne vill använda för att detektera felet, en EDD (Error Detection Device). Normalt blir det en voltmeter, en bitfelsräknare eller ett oscilloskop där man lagt in en toleransmask, eller någon annan, kanske egenproducerad utrustning. Parallellt med denna använder man en signalgenerator som kan svepa samma frekvensområde som EDD, en sk tracking-generator med en slutförstärkare som kan mata ut hög uteffekt på proben.

Styrprogrammet synkroniserar generator och EDD och mäter störningar som vanligt, men vänder skalan upp och ned så att de områden som tål minst störningar färgas mest ”akut”.

Här har en utrustning för en trådlös hörlur störts vid omkring 863 MHz. EDD är en tillkopplad voltmeter som mäter spänningen över den lysdiod som visar om det finns (nyttig) bärvåg, en enkel och utmärkt indikering på om det finns förbindelse eller om den är utstörd. Mätningen visar att de känsliga delarna är antennen till vänster (naturligtvis) och den analoga elektroniken till höger.

Siffrorna på skalan till vänster visar hur mycket uteffekt i decibelmilliwatt (dBm) man måste lägga på sändarantennen för att uppnå ett visst resultat. Mitt över de känsliga delarna räcker det med 2-3 dBm (gul), men en bit ifrån måste man upp i över 20 dBm (grön). Det är mycket, över 0,1 watt sändareffekt. Ungefär vad en mobiltelefon strålar, som ligger nära en stereoanläggning och stör och bråkar.

Antennerna

Bild: Langer EMV-Technik

Detectus använder sig av probar, så kallade närfältssonder från tyska Langer EMV-Technik, som marknadsför ett otal probar för olika mätfall, hopsamlade i behändiga satser. De har probar för allt från 100 kHz till 10 GHz. Där finns godsaker för alla.

Langers probar är främst avsedda för manuella EMI-mätningar, och det är helt och hållet Detectus idé att fästa dem i en xyz-scanner.

Värmesökare

Det andra problemet inuti elektroniska apparater är att de alstrar värme. Alla som har en bordsdator vet att processorn måste ha ett kyltorn med egen fläkt. Annars skulle den brinna upp ganska snabbt.

Många embeddedprodukter och liknande har idag väldigt kraftfulla mikroprocessorer som alstrar en hel del värme och det är viktigt att kunna se hur mycket värme det rör sig om, exakt var den kommer ifrån och vart den tar vägen. Att effekttransistorer blir varma är ingen hemlighet. Det åtgärdas med kylflänsar, men vad gör du om det visar sig att ett hörn av en integrerad krets eller ett litet ytmonterat motstånd blir för varmt?

För att undanröja alla tvivel på mikronivå kan kretskortet eller apparaten undersökas med EMC-scannern utrustad med en värmesökare.

Man kan hävda att man skulle kunna göra samma jobb med en värmekamera som med scannern, men en bra värmekamera från FLIR, med motsvarande upplösning kan gå lös på 50-100.000 kronor.

Här har ett processorkort lagts i scannern och undersökts. Som väntat är den stora kretsen med kylflänsar uppe i 40 grader C (gul) medan de övriga kretsarna når maximalt 35 grader. Du ser också hur värmen har spritt sig ut på kretskortet. Det är acceptabelt. Men vad är det för två heta punkter nere till vänster?

Om man övergår i 3D-läge och tittar lite från sidan, ser man att det är två lysdioder, och de är inte det minsta varma. Det missförståndet hade man direkt kunnat undvika med en värmekamera, men den här metoden fungerar också och är billigare.

Kalibrering

Den som har behov av verkligt exakta mätresultat kan skaffa en kalibrerad strålare, en stripline på ett kretskort. Med detta monterat i scannern och en ansluten spektrumanalysator och tracking-generator kan alla probar för magnetfält kalibreras, för att kompensera för probens strålningsdiagram, frekvenslinjäritet, olinjäriteter i kablar och kontaktdon mm.

Hela kalibreringsproceduren sköts med hjälp av en guide i styrprogrammet och utförs helt automatiskt.

Nya vapen mot en osynlig fiende

Den tid är förbi då man som EMI-tekniker fick sitta med ett oscilloskop och se störningar på sensorledningar och databussar och bara kunde gissa sig till var de kom ifrån. Ibland var det uppenbart (den där stora motorn) men ibland var det inte lika lätt.

EMC-arbetet är inte enkelt idag, men med rätt kunskaper går det att bygga utrustning som uppfyller kraven. Det gäller att balansera omslagstider mot tillgänglig kylning, att balansera mängden störningar mot mängden EMC-komponenter och kundens krav på utrustningens volym. EMC-komponenterna är inte billiga, särskilt inte vid höga spänningar. Problemen kan emellertid lösas med korrekt dimensionering, med hänsyn till omslagstider, materialval i kablage, filtertyper och rätt typ av halvledare.

En sak man kan vara helt säker på är att felsökningen går mycket fortare med Detectus metod.