Ekranowanie układów elektronicznych
W naszym nowoczesnym świecie otaczają nas urządzenia elektroniczne i elektryczne, a komunikacja bezprzewodowa staje się coraz bardziej wszechobecna. Łagodzenie wpływu zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) jest zatem niezbędne.
Projektując systemy elektroniczne, inżynierowie muszą zająć się problemem występowania zakłóceń elektromagnetycznych. Są ku temu dwa kluczowe powody:
- Należy upewnić się, że urządzenie nie będzie zakłócać działania innych urządzeń elektronicznych w pobliżu,
- Z drugiej strony, należy zapobiec wpływowi EMI pochodzącemu z innych źródeł na działanie urządzenia.
Chociaż inżynierowie często postrzegają kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) jako skomplikowane zadanie, jeśli przestrzegany jest prawidłowy proces rozwoju produktu, wyzwanie to może stać się bardzo proste.
Dowolne dwa kawałki metalu mogą stanowić antenę, a dzisiejsze systemy elektroniczne ‘obfitują’ w metalowe przedmioty: okablowanie, ścieżki płytek drukowanych, wyprowadzenia komponentów THT itp. Każdy z nich może zapewnić środki do transmisji lub odbioru EMI.
Zasady EMC
EMC wywodzi się z kilku podstawowych zasad elektrotechniki, tak więc jest to problem stosunkowo łatwy do zrozumienia. Te zasady to:
- W każdym obwodzie elektrycznym elektrony zawsze wracają do swojego źródła, korzystając z najprostszej dostępnej dla nich drogi: EMC zajmuje się ‘zarządzaniem’ ową ścieżką powrotną.
- Dowolne dwa kawałki metalu podłączone do źródła mogą stanowić antenę (celowo lub nie). Chociaż anteny zwykle są celowo zaprojektowane do tej funkcji, istnieje wiele sytuacji, w których można je stworzyć przez przypadek.
Wrażliwe obwody elektroniczne mogą być zabezpieczone przed wychwytywaniem EMI z zewnętrznych źródeł poprzez umieszczenie ich w metalowej obudowie (klatka Faradaya osłania wszystko, co jest w niej umieszczone, o ile odstęp między komponentami jest znacznie mniejszy niż długość fali promieniowania). Bardzo ważne jest, aby zostało to zrobione poprawnie, w przeciwnym wypadku sama metalowa obudowa stanie się anteną. Obudowa musi być prawidłowo podłączona do tego samego uziemienia, co płytka drukowana za pomocą ścieżek o niskiej impedancji. Należy uwzględnić metalowe elementy (np. pionowe słupki) w konstrukcji obudowy, do których przykręcana jest płytka, a także otwory uziemiające na PCB.
Chociaż zastosowanie obudowy pełniącej funkcję klatki Faradaya zapobiega EMI, nie jest to całkowicie praktyczna metoda ze względu na stosunkowo wysokie koszty. Bardziej ekonomiczną metodą jest zastosowanie styków sprężynowych, np. oferowanych przez firmę Harwin. Te elementy do montażu powierzchniowego można umieścić na krawędzi płytki drukowanej za pomocą maszyn typu pick-and-place. Po wsunięciu płytki na miejsce zapewniają skuteczne uziemienie, bez konieczności wprowadzania czasem kosztownych zmian w procesie montażu.
© Harwin
Gdy system elektroniczny jest już ekranowany przed zewnętrznymi zakłóceniami EMI i sam nie emituje EMI, należy się jeszcze zająć się tym, co dzieje się na poziomie samego układu, bowiem zawsze istnieje ryzyko wzajemnego zakłócania się poszczególnych elementów lub urządzeń w systemie. Bliskie sąsiedztwo sygnału analogowego/mieszanego, RF i układów cyfrowych może powodować sprzężenie szumów. EMI wytwarzane przez komponent, który ma właściwości pojemnościowe lub indukcyjne, może wpływać na sygnał przechodzący przez sąsiednie urządzenia.
Unikanie sprzężenia szumów
Sprzężenie szumów może być rozprowadzane przez ścieżki PCB lub w powietrzu, za pośrednictwem promieniowania. Sprzężenie szumów promieniowanych można rozwiązać, umieszczając metalowe osłony (znane też jako puszki ekranujące) na niektórych układach lub wybranych obszarach obwodu. Puszki z wyprowadzeniami THT są łatwo dostępne w standardowych kształtach i rozmiarach lub wykonane są na zamówienie, zgodnie z indywidualnymi wymaganiami. Po znalezieniu właściwej puszki należy zaprojektować płytkę PCB z odpowiednimi otworami montażowymi, połączonymi elektrycznie z płaszczyzną uziemienia.
Zastosowanie puszki ekranującej zwiększa złożoność procesu montażu. Jeśli wszystkie inne urządzenia znajdujące się na płytce drukowanej są montowane powierzchniowo, lutowanie puszki z wyprowadzeniami otworami przelotowymi wymaga oddzielnego procesu (lutowania na fali lub ręcznego), a każda dodatkowa operacja zwiększa koszty. Ponadto, trzeba pamiętać, iż jak zaznaczono wcześniej, każdy metalowy element może stać się anteną, a więc również i wyprowadzenia THT puszki mogą stać się anteną.
Korzystanie z uniwersalnego zestawu osłony EMC
Gotowe puszki metalowe, nawet jeśli muszą być wykonane w nietypowym, dopasowanym do wymagań klienta kształcie, doskonale sprawdzają się w masowej produkcji. Jeśli jednak produkt znajduje się jeszcze w fazie prototypowania lub jeśli docelowa produkcja będzie niewielka, inwestycja w oprzyrządowanie niezbędne do masowej produkcji jest niepraktyczna. Dla takich przypadków Harwin opracował zestaw ‘zrób to sam’, który może być świetną alternatywą na etapie rozwoju. Zestaw zawiera ponacinane arkusze blachy, które można łatwo przyciąć/złożyć do wymaganego rozmiaru puszki. Do zestawu dołączone są również klipsy SMT do mocowania puszki do płytki drukowanej.
Zastosowanie klipsów do montażu powierzchniowego
Harwin opracował gamę klipsów do montażu powierzchniowego, których zadaniem jest utrzymywanie metalowej puszki ekranującej na PCB. Ponieważ kombinacja taka nie ma metalowych wyprowadzeń, nie występuje ryzyko przypadkowego utworzenia anteny. Dzięki klipsom unika się też wprowadzenia dodatkowego etapu w procesie montażu.
Dostępnych jest wiele modeli klipsów w różnych rozmiarach i kształtach, różniących się również poziomem siły retencji. Jeśli aby uzyskać dostęp do obwodów wewnątrz metalowa puszka musi być regularnie usuwana, najlepiej byłoby wybrać zaciski o mniejszej sile. W przypadku systemów, które mogą być narażone na bardziej ekstremalne warunki, w tym silne wstrząsy i siły wibracyjne, zalecany jest wyższy poziom retencji.
Żródło: Understanding EMC Inside and Out, © Harwin
Autor: Wendy Jane Preston