EMI/EMC
Transkript
EMI/EMC
TÜBİTAK UME ULUSAL METROLOJİ ENSTİTÜSÜ EMI/EMC (Elektromanyetik Girişim ve Uyumluluk) Fatih ÜSTÜNER Tel: 0 262 679 5031 e-Posta: fatih.ustuner@ume.tubitak.gov.tr Aralık 2011 Elektromanyetik Girişim 1935 2000 14.12.2011 RFI : Radio Frequency Interference Elektromanyetik Girişim Işıma yoluyla (Radiated) In , Vn 220 VAC 14.12.2011 İletkenlik yoluyla (Conducted) Elektromanyetik Girişim (Electromagnetic Interference – EMI) Girişim, elektrik ve elektronik cihazların performansında bozulmaya, istenmeyen tepkiler vermesine veya hatalı işlemesine yol açan radyo frekanslarında doğal veya insan kaynaklı her türlü bozucu etki, işaret ve emisyondur. 14.12.2011 Elektromanyetik Uyumluluk (Electromagnetic Compatibility - EMC) Bir cihaz, Kendi içinde girişime yol açmıyorsa (öz uyumluluk – self compatibility) Diğer cihazlara girişimde bulunmuyorsa Diğer cihazlardan kaynaklanan girişime bağışıksa elektromanyetik uyumlu demektir. 14.12.2011 Cihazda Elektromanyetik Girişim Portları RS RE RS RS RE CE CE RE Güç Hattı CS Anten Terminali İşaret Hatları CS RE - Radiated Emission: Işıma yoluyla Emisyon RS - Radiated Susceptibility: Işıma yoluyla Alınganlık CE - Conducted Emission: İletkenlik yoluyla Emisyon CS - Conducted Susceptibility : İletkenlik yoluyla Alınganlık 14.12.2011 RS RE Cihazın Platforma Yerleştirilmesi Uçak Elektromanyetik Ortamı Sistem-içi EMI RF Verici 14.12.2011 Yıldırım EMP Elektromanyetik Ortam Elektromanyetik girişim, etkilenen cihazın bulunduğu elektromanyetik ortamın bir sonucudur. Belirli bir bölgede meydana gelen tüm elektromanyetik olaylar, elektromanyetik ortamı oluştururlar. Elektromanyetik çevreyi karakterize eden iki unsur sözkonusudur: Frekans / Zaman Genlik; elektromanyetik enerjinin 14.12.2011 elektrik alan şiddeti, manyetik alan şiddeti, gerilim akım güç gibi herhangi bir formudur Elektromanyetik Spektrum 14.12.2011 Elektromanyetik Ortam Etkileri (E3) Etkileri EMI/EMC : Elektromanyetik girişim / uyumluluk (ElectroMagnetic Interference / Compatibility) Yıldırım EMP : Elektromanyetik darbe (ElectroMagnetic Pulse) ESD : Elektrostatik deşarj (ElectroStatic Discharge) RADHAZ : Elektromanyetik ışımanın insan,mühimmat ve yakıt üzerinde oluşturduğu tehlikeler (Electromagnetic RADiation HAZards) TEMPEST : Elektromanyetik emisyonun bilgi içeriğinin düşman tarafından kullanılması 14.12.2011 Yıldırım Etkiler Doğrudan Dolaylı 14.12.2011 Elektrostatik Boşalma - ESD Elektronik devrelerde performans düşmesi Yarı iletkenlerin fiziksel zarar görmesi Yakıt ve mühimmata karşı etkisi 14.12.2011 Elektromanyetik Darbe - EMP Elektromanyetik Darbe (EMP); nükleer bir patlama sonucu meydana gelen, çok büyük genlikli ve ani yükselen geçici elektromanyetik alandır. Nükleer patlama γ γ Gamma/hava etkileşim bölgesi Yeryüzü 14.12.2011 Elektromanyetik Işıma Zararları - RADHAZ Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance 14.12.2011 TEMPEST Cihazlardan yayılan elektromanyetik emisyonunun düşman tarafından algılanarak ve uygun işaret işleme teknikleri kullanılarak emisyon içindeki bilgi içeriğinin elde edilebilmesi tehdidi TEMPEST olarak bilinmektedir. PC RE CE Güç Hattı Emisyonları Akım Probu 14.12.2011 Saat ve/veya harmoniklerin AM (Genlik Modüleli) Emisyonları Veri Kaydı , Görsel ve İşitsel Sinyal Analizi Anten AM / FM Çıkış RF alıcı ve Demod. Eşzamanlama Sinyalleri EMI Problemi Üç Ana Unsur Kaynak Kaynak : Kuplaj yolu : Etkilenen sistem : 14.12.2011 Kuplaj yolu Etkilenen sistem Girişim enerjisini yayan Girişim enerjisinin iletimi Girişim enerjisinden etkilenme Kuplaj Mekanizmaları KUPLAJ Uzaysal Işıma (Radiated) 14.12.2011 Elektriksel İletkenlik (Conducted) İletkenlik Yoluyla Kuplaj Mekanizmaları R3 R4 1kΩ 1kΩ Yük #2 R2 Direnci Gerilimi Yük #1 (gürültü kaynağı) V2 1V 1kHz 0Deg Besleme Kaynağı R1 V1 1kΩ R2 1kΩ 28 V 60 Hz 0Deg Yük #2 Doğrudan iletim kuplajı V2 0 V 28 V 50usec 100usec R2 V1 1mO 2 L1 3 12nH R3 100kO 0.1 Vrms 1kHz 0Deg 1 Ortak empedans kuplajı V1 Gerilimi L=5 cm, w=4 mm 0 14.12.2011 R1 5O R3 Direnci Üzerinde Gerilim 4 Kuplaj Modları ID Cihaz #1 ID Cihaz #2 Fark Modu (Differential Mode) IC Cihaz #1 Cihaz #2 IC IC Ortak Mod (Common Mode) : 14.12.2011 Fark Modu Işıması ηπ IA Eφ = 2 sin θ λ R İŞARET HATTI ID İŞARET TOPRAĞI FARK MODU IŞIMASI 14.12.2011 Örnek: R = 10 m A = 10 cm2 f = 50 MHz E = 36 dBuV/m > I = 20 mA Ortak Mod Işıması (Dipol Anten Yapısı) η I (2 ⋅ l ) Eθ = sin θ 2λ R IC VN DIŞ BAĞLANTI KABLOLARI IC İŞARET TOPRAĞI ORTAK MOD IŞIMASI TOPRAK 14.12.2011 Örnek: r = 10 m l = 0.5 m f = 50 MHz E = 36 dBuV/m > I = 20 uA !!! Işımayla Emisyon Deneyi Deney düzeneği TB_A 4-7.10.2011 TB_B Değişken Parametre -> Layout TB_C TB_D 22 Işımayla Emisyon – Deneysel Sonuçlar Işımayla Emisyon Deneyi 80 70 TB_A RE [dBuV/m] 60 TB_A_kab TB_B 50 TB_B_kab 40 TB_C 30 TB_C_kab 20 TB_D TB_D_kab 10 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Frekans [MHz] 14.12.2011 EMI Önlemleri Topraklama (Grounding) Ekranlama (Shielding) Bağlama (Bonding) Filtreleme (Filtering) Kablolama (Cabling) 14.12.2011 Topraklama Baskı Devre Kartları Cihaz Kasası (Ekranı) Filtreler Güç Hattı İşaret Hatları Topraklamanın amacı elektromanyetik girişime yol açabilecek RF gerilimlerinin oluşumunu azaltmaktır. 14.12.2011 Akım Dönüş Yolu Kavramı via A B Baskı Devre •Akım daima düşük empedanslı yolu tercih eder. •Akımın gidişte A yolunu mu B yolunu mu seçeceği bu hatların göstereceği empedansa bağlıdır. 14.12.2011 Düşük Empedans Yolu Port #1 14.12.2011 Port #2 Frekans : 1 MHz FR4 boyutları : 100 x 100 x1 mm Normal hat kalınlığı : 1 mm Kısa devre hat kalınlığı : 10 mm Dekuplaj Kondansatörü Dekuplaj kondansatörü olmasaydı, sayısal devre gerekli akımı doğrudan beslemeden çekmeye çalışacak ve besleme noktasına uzaklığına bağlı olarak besleme geriliminde düşme olacaktı. Dekuplaj kondansatörleri güç ve dönüş hatları üzerindeki endüktif gerilim düşmelerinden kaçınmak için kullanılır. Dekuplaj kapasitesi anahtarlama sırasında sayısal devrenin çekeceği ani akımın deposu olarak görülebilir. Anahtarlama esnasında çekilen anlık akımların verilmesinde iki unsur önemlidir: Kondansatörün değeri Kondansatörün yerleştirilişi 4-7.10.2011 28 Ekranlama Ekranlama belirli bir bölgeyi dış Gürültü Kaynağı elektromanyetik ortamdan izole etmek veya iç elektromanyetik ortamın dışarıya sızmasını Alan Yok engellemek amacıyla kullanılır. 14.12.2011 EKRAN Alan Yok EKRAN Gürültü Kaynağı Yarık Analizi Geometrisi #1 (Yatay) 50 cm 40 cm Dipol RX 20 cm Yarık GxY = 20x1 cm Dipol TX 16 cm Not : Dipol RX kutunun tam ortasına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık hizasında Dipol RX’den 1 m uzağa yerleştirilmiştir. 14.12.2011 Yarık Analizi Geometrisi #2 (Dikey) 50 cm 40 cm Dipol RX 20 cm Dipol TX 16 cm Yarık GxY = 20x1 cm Not : Dipol RX kutunun tam ortasına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık hizasında Dipol RX’den 1 m uzağa yerleştirilmiştir. 14.12.2011 Yarık Açıklık Sonuçları – MoM Analizi Kutu Ekranlama Etkinliği 60.00 40.00 30.00 Refdik - Dikey 20.00 Refyat - Yatay 10.00 -20.00 Frekans [MHz] 14.12.2011 85 0. 00 95 0. 00 75 0. 00 55 0. 00 65 0. 00 45 0. 00 25 0. 00 35 0. 00 -10.00 15 0. 00 0.00 50 .0 0 Ekranlama Etkinliği [dB] 50.00 Ekranlama 4-7.10.2011 33 Bağlama Bağ (Bond) iki iletken arasındaki elektriksel bağlantıdır. Referans noktasının cihazın her noktasında aynı seviyede olması ancak bağlantıların mükemmel yani çok düşük empedanslı yapılması ile mümkün olur. 14.12.2011 Kısa Devre Edilmiş Bir Telin Frekansa Bağlı Davranışı PORT P=1 Z=50 Ohm MLIN ID=TL1 W=0.5 mm L=415 mm Graph 1 10000 λg |Z[1,1]| tline 1000 4 100 10 λg 1 .001 20 .01 .1 Frequency (GHz) 14.12.2011 1 MSUB Er=4.6 H=0.5 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0.024 ErNom=2.2 Name=SUB1 Filtreleme Filtreler iletkenler üzerinden yayılan elektromanyetik girişimi engellemek için kullanılırlar. 14.12.2011 Kablolama Şasi konektörü Konektör kabuğu Cihaz #2 Cihaz #1 Ekranlı Kablo Konektör Kablo elektromanyetik enerjiye ulaşacağı yüke kadar kılavuzluk yapan bir devre elemanıdır. Sistemin en uzun parçalarını oluştururlar ve bu yüzden EMI gürültüsünün ortamdan alınmasında veya ortama verilmesinde etkin birer anten gibi davranabilirler. 14.12.2011 Elektromanyetik Alan – Kablo Etkileşimi Ekransız Tek taraf 3600 Tek pigtail Çift pigtail Çift taraf 3600 14.12.2011 2m EM Alan Kablo Kuplajı Deney Düzeneği x İç iletken E - alan Test Altında Kablo GTEM RF Girişi y İşaret Üreteci 14.12.2011 PA z Koaksiyel Kabloya EM Alan Kuplajı Koaksiyel Kabloya Elektromanyetik Alan Kuplaji 80 70 60 Gürültü Akimi (dBuA) 50 Esik Her iki taraf 360 Tek taraf 360 Ekransiz Tek pigtail Cift pigtail Ekransiz(teorik) 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 6 10 7 8 10 10 Frekans (MHz) 14.12.2011 9 10 Rezonans Mesafe : 8 km Kaynak : 600 kW AM Radyo Vericisi Frekans f = 702 kHz, λ=c/f=427 m Etkilenen : Rüzgar Türbini Montaj Personeli Şubat 2008’de, İstanbul Çatalca’da 80 metrelik rüzgâr türbini kulelerinin montajında 110 metre yüksekliğinde bir vinç kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinin parçalarının montajında çalışan personelin vincin kancasıyla teması sırasında ellerinde yanma hissi meydana gelir. Ölümcül bir kaza ihtimaline karşı montaj faaliyetleri durdurulur. 14.12.2011 EMI Problem ve Çözümleri Problemi çözmek için seçenekler Çözümün maliyeti Zaman Tasarım 14.12.2011 Prototip Tamamlanmış ürün EMI/EMC Doğrulama Test Tipleri/Aşamaları Cihaz seviyesinde 78 9 A 4 56 B 123C #0 * D Platform/Sistem seviyesinde 14.12.2011 EMI/EMC Standartları Standartlar ürünlerin kalitesini belirleyen temel unsurlardır. Standartlarda iki önemli unsur yer alır: Test sınır değerleri Test yöntemleri Askeri cihazlar için ayrı standartlar, ticari cihazlar için ayrı EMI/EMC standartları vardır. 14.12.2011 EMI/EMC Testi EMI/EMC testinin iki yönü vardır: Emisyon (Emission) Alınganlık (Susceptibility) veya Bağışıklık (Immunity) Kuplaj yöntemi açısından da iki farklı kategori mevcuttur: Işıma yoluyla (Radiated) İletkenlik yoluyla (Conducted) 14.12.2011 Testlerin Ana Temelleri Alınganlık Emisyon Cihaz EMI Alıcısı Sensör Anten - RE Akım Probu - CE LISN - CE 14.12.2011 Cihaz İşaret Üreteci Transduser Anten - RS Akım Probu - CS Trafo - CS Bazı Örnek Sınır Seviyeler Elektrik Alan Manyetik Alan Gerilim 14.12.2011 Desibel (dB) Desibel (dB) iki değer arasındaki logaritmik oranı temsil eder. Birimsizdir. Eğer herhangi bir büyüklük belirli bir taban olarak alınırsa o büyüklüğe ait birim desibel teriminin arkasına eklenir. Sembol E I P H B V Büyüklük Elektrik Alan Şiddeti Akım Güç Manyetik Alan Şiddeti Manyetik Akı Yoğunluğu Gerilim Not : 1 Tesla = 1 Wb/m2 = 104 Gauss 14.12.2011 Taban Seviyesi 1 uV/m 1 uA 1 mW 1 uA/m 1 pT 1 uV Birimi dBuV/m dBuA dBm dBuA/m dBpT dBuV Desibel (dB) Kavram olarak Desibel güç seviyeleri arasındaki oranı gösterir. Bu durumda: dB = 10 ⋅ log 10 ⎛⎜ P1 ⎞⎟ ⎝ P2 ⎠ P1 I 12 R = 2 P2 I2 R ⎛ I1 ⎞ ⎛ P1 ⎞ ⎟ ⎜ 10 ⋅ log 10 ⎜ ⎟ = 10 ⋅ log 10 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ I2 ⎠ ⎝ P2 ⎠ 2 ⎛I ⎞ ⎛P ⎞ 10 ⋅ log 10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = 20 ⋅ log 10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ I2 ⎠ ⎝ P2 ⎠ Eğer gerilim veya akım seviyesinde ifade edilmek isteniyorsa aşağıdaki formül kullanılır: ⎛V ⎞ d B = 2 0 ⋅ lo g 1 0 ⎜⎝ 1 V ⎟⎠ 2 14.12.2011 Desibel (dB) – Basit Hesaplar Güç seviyesinde 3 dB’lik bir değişiklik güç miktarında iki kat bir değişimi gösterir. • 10 dBm = 10 mW • 13 dBm = 20 mW • 7 dBm = 5 mW Gerilimde iki kat değişim 6 dB’ye tekabül eder. • 20 dBuV = 10 uV • 26 dBuV = 20 uV • 14 dBuV = 5 uV 14.12.2011 • Güç seviyesinde 10 dB’lik bir değişiklik güç miktarında 10 kat bir değişimi gösterir. • 10 dBm = 10 mW • 20 dBm = 100 mW • 0 dBm = 1 mW • Gerilimde 10 kat değişim 20 dB’ye tekabül eder. • 20 dBuV = 10 uV • 40 dBuV = 100 uV • 0 dBuV = 1 uV İletkenlik Yoluyla Emisyon Testleri İki parametre ölçülür: • Akım • Gerilim Ölçüm yöntemleri: • Akım probu (akım) • LISN (gerilim) 14.12.2011 Akım Probu Vout 50 o h m koa TAC Güç Kablosu ks Iin Vout ZT = I in Akım probu Transfer empedansı I indBuA = VoutdBuV − Z TdBΩ Akım probu esas itibariyle bir trafo işlevi görür. 14.12.2011 LISN Besleme Şebekesi L1 L2 LISN 8 uF 5 ohm 50 uH DC/50 Hz/400 Hz Besleme Gnd 0.25 uF EMI Alıcı Gnd 1 kohm Gnd EMI Gürültü 10 kHz – 30 MHz TAC Gnd Önemli Not: EMI gürültü için işaret referans noktası toprak düzlemidir (Gnd). Besleme için referans diğer besleme hattıdır (L2). 14.12.2011 Işıma Yoluyla Emisyon Ölçüm büyüklükleri Elektrik alan Manyetik alan Ölçüm yöntemi Elektrik alan antenleri Halka antenler 14.12.2011 Antenler Bikonik Anten (30 – 300 MHz) Log-periyodik Anten (300 – 2000 MHz) Huni Anten (2000 – 18000 MHz) 14.12.2011 Anten Faktörü (AF) E V Koaksiyel 50 ohm EdBuV / m = VdBuV + AFdB 50 Ω EMI Alıcı Önemli not: Kablonun araya giriş kaybı mutlaka gözönüne alınmalıdır. Vx = V + ILkablo 14.12.2011 Halka Anten V B V 50 Ω Koaksiyel 50 ohm EMI Alıcı BdBpT = VdBuV + CFdB V = 2 ⋅π ⋅ f ⋅ B ⋅ A 14.12.2011 V A B f = Çıkış gerilimi = Halka alanı = Manyetik akı yoğunluğu = frekans EMI Alıcı Tipik bir EMI alıcı temel olarak bir superheterodin alıcıdır. 14.12.2011 Elektrik Alan Probu Elektrik alan probu EMI alıcının tersine genişbandlı bir cihazdır. Elektrik alan ölçüm aralığı 0.3 – 300 V/m (110 – 170 dBuV/m) Yüksek alanların ölçümü yapılır. Schottky diyot X Rezistif hatlar + OPAMP A/D dipol Y Z 14.12.2011 + + A/D A/D uP Ekran Alınganlık Test Cihazları (Devamlı Etki) İşaret Kaynakları RF Güç yükselteçleri 30 Hz – 40 GHz 250 W 1 – 4 GHz 10000 W 10 kHz – 80 MHz 14.12.2011 3000 W 80 MHz – 1000 MHz 250 W 4 – 8 GHz 250 W 8 – 18 GHz Alınganlık Test Cihazları (Geçici Etki) Geçici etki (transient) kaynakları ESD EFT/Burst Surge Voltage Dips/Interruptions 14.12.2011 Test Ortamları Ekranlı oda (Shielded room - Faraday cage) Yarı yansımasız oda (Semi-anechoic room) Tam yansımasız oda (Anechoic room) Açık saha test alanı (Open Area Test Site) 14.12.2011 Açık Saha Test Alanı 14.12.2011 Işıma Yoluyla Emisyon Şartı Test Düzeneği 10 1000 MHz 300 MHz 9 8 7 h2 [m] 6 Ed 5 4 Er 3 2 1 0 -4 -2 0 ED/Ei [dB] 2 4 10 m Açık Saha Test Alanı (ASTA) 10.10.2011 64 Ekranlı ve Yansımasız Odalar Ekranlı oda dış elektromanyetik ortamdan yalıtılmış odadır. Faraday kafesi olarak da bilinir. Tipik ekranlama etkinliği değerleri : 60 dB (orta), 80 dB (iyi), 100 dB (çok iyi) Yansımasız oda, duvarlarında elektromanyetik dalgayı soğurucu malzeme bulunan odadır. RF soğurucu malzemelerin tipik değerleri: Ferrit karo (30 – 1000 MHz, >15 dB) Piramit sünger absorber, 60 cm’lik (150 –300 MHz, >20 dB, 300 MHz – 500 MHz, >30 dB, 500 MHz – 40 GHz, >40 dB) 14.12.2011 Yarı Yansımasız Oda 14.12.2011 Kaynaklar Clayton Paul, Introduction to EMC, Wiley, 2006 Henry Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009 Michel Mardiguian, Controlling Radiated Emissions By Design, Kluwer, 2001 14.12.2011