Fehlerbehebung bei EMI-Problemen, die durch Strukturresonanzen verursacht werden

Ist es dir passiert? Bei der Behebung eines Problems mit elektromagnetischen Interferenzen (EMI) haben Sie verschiedene Kombinationen von Komponenten ausprobiert und festgestellt, dass das Signal, das Sie interessieren, reduziert wurde. Aber ein anderes Frequenzsignal stieg unerwartet über die Grenzlinie. Oder Sie haben eine Chassisebene auf Ihrer Leiterplatte (PCB) angebracht, nur um dann festzustellen, dass die abgestrahlten Emissionen viel schlimmer wurden, anstatt besser zu werden. Dies sind typische Fälle des „Abstimmens der Resonanzen einer Schaltung“.

Die meisten EMI-Emissionen hängen mit strukturellen Resonanzen zusammen. Strukturresonanzen sind auch einer der Hauptgründe dafür, dass die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) rätselhaft sein kann. Ohne es zu wissen, verbringen Ingenieure oft Tage und Monate damit, die Resonanzen einer Schaltung abzustimmen, indem sie passive Elemente wie Induktivitäten und Kondensatoren hinzufügen. Manchmal haben sie das Glück, endlich eine Kombination zu finden, die ihnen einen Pass ermöglicht. Aber meistens sind Lösungen schwer zu finden.

Es wurde eine enorme Menge an Arbeit zum Thema Strukturresonanzen geleistet und eine Übersicht über diese Arbeiten finden Sie in Referenz 1. Zwei praktische Fallstudien werden auch in Referenz 1 vorgestellt, um Methoden zur Identifizierung, Lokalisierung und Behebung von EMI-Problemen zu demonstrieren sind mit strukturellen Resonanzen verbunden.

Bei der EMV-Technik müssen Probleme häufig innerhalb einer begrenzten Zeit gelöst (aber nicht untersucht) werden. Daher werden Techniken empfohlen, die effektiv sind, aber auch Zeit sparen. Es gibt Indikatoren, die das Vorhandensein struktureller Resonanzen anzeigen, und Ingenieure können lernen, diese Indikatoren zu verwenden, um die Resonanzstruktur zu lokalisieren und die EMI-Probleme zu beheben. In diesem Artikel werden auch einige praktische Techniken zur Behebung von EMI-Problemen untersucht, die durch strukturelle Resonanzen verursacht werden. Zur Veranschaulichung dieser Techniken werden Fallstudien vorgestellt.

Damit eine Struktur schwingen kann, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

Abbildung 1: Typische Fälle von Strukturresonanzen; (a) Zwei Leiterplatten mit einer Drahtverbindung; (b) Zwei Schränke mit demselben Erdungspunkt.

Im Allgemeinen gibt es drei Methoden zur Lokalisierung struktureller Resonanzen, darunter analytische Techniken, Frequenzbereichs- und Zeitbereichstechniken.

Ein analytischer Ansatz erfordert im Allgemeinen Erfahrung und technisches Know-how zur Modellierung/Simulation des Systems. Bei kleinen Systemen mit bekannten Problemen, wie der in Referenz 1 vorgestellten Fallstudie, reichen einfache mathematische Berechnungen oft aus, um eine Schätzung der Resonanzfrequenz des zu testenden Geräts (DUT) zu erhalten. Häufig wird ein analytischer Ansatz entweder durch eine 3D-Vollwellensimulation oder eine spezielle EMV-Software erreicht.

Der Vorteil des analytischen Ansatzes besteht darin, dass er eine Vorhersage treffen kann, bevor ein Prototyp gebaut wird, was diesen Ansatz bei der Konstruktion und Entwicklung von Automobil-, Luft- und Raumfahrtanwendungen beliebt macht. Häufig verfügen solche Unternehmen über bereits validierte Simulationsmodelle, die für eine neue Studie leicht modifiziert werden können. Für Unternehmen, die nicht über vorhandene Modelle verfügen, kann die Erstellung einer Simulation jedoch eine kostspielige und langwierige Angelegenheit sein.

Im Frequenzbereich gibt es zwei Haupttechniken. Die Messung der reflektierten Leistung durch eine Magnetfeldschleife wird in Referenz 2 besprochen und die gleiche Methode wurde in Referenz 1 demonstriert. Diese Methode erfordert eine kleine Magnetfeldschleife, um verdächtige Strukturen zu „erschnüffeln“, oft auf der Ebene der Leiterplatte. Williams führte eine Fernfeldmessung mit einem Spektrumanalysator mit Tracking-Generator ein (siehe Referenz 3). Über den Ausgang des Tracking-Generators wird ein Referenzsignal in den Prüfling eingespeist und eine Antenne zur Messung des Antwortsignals verwendet. Diese Methode ist besonders nützlich bei Anwendungen, bei denen die Leiterplattenmasse mit dem Gehäuse (Chassis) in Resonanz steht. Beide Methoden sind praktisch und erfordern nur einen geringen Testaufbau. Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, dass sie häufig auf die Untersuchung auf Leiterplattenebene beschränkt sind und in großen Systemen nicht nützlich sind.

Im Zeitbereich wird häufig die Messung des Resonanzstroms mit einer HF-Stromüberwachungssonde verwendet, wenn ein Impuls in das System eingespeist wird (siehe Referenz 4). Dies ist eine effektive Technik, wenn es um die Fehlerbehebung bei großen Systemen oder bei der Verbindung mehrerer Leiterplatten geht.

Tabelle 1 fasst die Techniken sowie die Vor- und Nachteile jeder Methode zusammen.

Es dauert lange, ein Modell genau zu erstellen.

Eine Lizenz zum Ausführen der Software kann kostspielig sein.

Diese Techniken werden in Referenz 1 vorgestellt und demonstriert. In diesem Artikel werden praktischere Ansätze basierend auf den Eigenschaften struktureller Resonanzen weiter untersucht.

Eines der typischen Merkmale struktureller Resonanzen besteht darin, dass Resonanzen die Emissionsmenge erhöhen können, da der endgültige Strahler effizienter ist als der ursprüngliche Strahler (siehe Referenz 5). Die folgende Fallstudie verdeutlicht dies.

Bei den Strahlungsemissionstests eines großen Elektrofahrzeugs wurde festgestellt, dass eine schmalbandige Spitze bei 222 MHz den Grenzwert überschritt (Abbildung 2a). Es wurde festgestellt, dass das Geräusch von einer Kamera stammte, die in der Kabine des Fahrzeugs eingebaut war. An den Stromkabeln der Kamera wurden mehrere Ferrite verwendet, aber die Verbesserung war nicht signifikant genug, um das Rauschen zu unterdrücken (dies ist ein weiteres Zeichen für strukturelle Resonanzen). Der Test zeigte auch eine „Inkonsistenz“, da derselbe Lärm teilweise viel leiser gemessen wurde (wie in Abbildung 2b dargestellt). Wir haben zufällig festgestellt, dass der Unterschied in den Emissionsergebnissen durch die Tür des Fahrzeugs verursacht wurde. Bei geöffneter Tür war die Geräuschemission deutlich geringer als bei geschlossener Tür.

Abbildung 2: (a) Lärm bei 222 MHz, verursacht durch die Innenraumkamera (b), wenn die Tür des Fahrzeugs geöffnet war

Die Fahrzeugkameras und ihre zugehörigen Schaltkreise, einschließlich der 20 cm langen Stromkabel, allein waren bei den in den Schaltkreisen enthaltenen Frequenzen (und Oberwellen) kein effizienter Strahler. Wie in Abbildung 3 dargestellt, befand sich die Tür bei geschlossenem Zustand in der Nähe des Kamerabereichs. Die Tür bestand hauptsächlich aus Glas, aber der Rahmen war zusammen mit der mechanischen Struktur, die die Tür verbindet, Teil des Metallgehäuses und sollte als EMV-Problem betrachtet werden. Auch wenn die Tür keinen physischen Kontakt mit der Kamera hatte, koppelten die parasitäre Kapazität und Induktivität die HF-Energie der Kamera an sie an und das Rauschen bei 222 MHz wurde sehr effizient abgestrahlt. Bei 222 MHz ist ein Halbwellendraht etwa einen halben Meter lang. Die in Abbildung 3 gezeigte Struktur kann problemlos als effiziente Antenne fungieren.

Abbildung 3: Die Tür des DUT fungiert als effizientere Antenne und erhöht die Emissionen

Das Erkennen und Lokalisieren der Strukturresonanz ist bei der EMI-Fehlerbehebung oft der schwierigste Teil der Arbeit. In diesem Fall macht es Sinn, dass die Ferrite an den Stromkabeln der Kamera nicht wirksam waren, da der letzte Strahler nicht unterdrückt wurde. Ein sinnvollerer Ansatz besteht darin, die Geräuschquelle zu isolieren, indem das Stromkabel der Kamera mit Aluminiumfolie abgeschirmt und von der Tür entfernt verlegt wird. Dies dient auch als kostengünstige Möglichkeit, das Problem zu beheben. Der Lärm wurde deutlich reduziert, wenn die Tür geschlossen war, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Durch die Trennung der Stromkabel der Kamera mit Aluminiumfolie wurde das 222-MHz-Rauschen deutlich reduziert.

In dieser Fallstudie hat ein Gerät die Immunitätstests (sowohl Strahlungsimmunität als auch BCI-Tests (Bulk Current Injection)) im Frequenzbereich von 200 und 400 MHz sowie im Bereich von 800 und 900 MHz nicht bestanden. In anderen Frequenzbereichen funktionierte das Gerät normal und ohne Fehler.

Die Leiterplatte des Prüflings hat eine Größe von etwa 50 mm × 50 mm und bildet eine 200 mm lange Schleife. Man ging davon aus, dass Leiterbahnen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte eine effiziente Rahmenantenne im Frequenzbereich von 200–350 MHz gebildet haben könnten. Elektromagnetische Wellen breiten sich in einem FR4-Material mit einer Geschwindigkeit von 1,5×108 m/s aus, basierend auf der Gleichung v=λf, wobei v die Lichtgeschwindigkeit in FR4 und f die Frequenz ist. Für eine 200-MHz-Welle errechnet sich dann eine volle Wellenlänge von 750 mm. Ein Viertel der Wellenlänge (wo die Strahlung am stärksten ist) beträgt 187,5 mm. Die Leiterplatte selbst kann in einem Frequenzbereich von 200 MHz schwingen. Es würde wahrscheinlich mehr HF-Energie bei 200 MHz (und seinen Oberwellen) absorbieren, die in den Immunitätstests von der Rauschquelle injiziert wird.

Mit einer HF-Stromüberwachungssonde haben wir im Immunitätstest die HF vor und hinter der Leiterplatte gemessen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Es wurde ein Frequenzdurchlauf von 100 MHz bis 1 GHz durchgeführt. Der HF-Verstärker speiste über eine BCI-Sonde aus einem Frequenzbereich von 100 MHz und 1 GHz den gleichen Pegel an HF-Rauschen in das Hauptanschlusskabel ein. Die Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 5: Testaufbau zur Messung des HF-Stroms an zwei Stellen des Prüflings, Stelle 1 – vor der Leiterplatte; Standort 2 – nach der Platine

Abbildung 6: Frequenzdurchlauf zwischen 100 MHz und 1 GHz

Die gelbe Kurve zeigte Ergebnisse an Position 2 und die rosa Kurve zeigte die Ergebnisse an Position 1. Die blaue Kurve ist die Differenz zwischen den beiden Messungen. Grundsätzlich bedeutet das in der blauen Kurve gezeigte positive Profil (wie von den Frequenzpunktmarkierungen 1 und 2 und von den Frequenzpunktmarkierungen 3 und 4 gezeigt), dass die Leiterplatte das Eingangssignal verstärkt, während die Leiterplatte im restlichen Frequenzbereich das Eingangssignal dämpft HF-Rauschen (dargestellt als negatives Profil). Wir wissen jetzt, warum wir zwischen 200 MHz und 400 MHz sowie zwischen 840 und 920 MHz ein Immunitätsproblem hatten.

Die Lösung dieses Immunitätsproblems erfordert eine Gleichtaktdrossel (CMC), die im interessierenden Frequenzbereich am effektivsten arbeitet, zusammen mit Entkopplungskondensatoren. Die Kapazitätswerte betragen 470 pF, da sie in diesem Frequenzbereich effektiv arbeiten.

Ein weiteres Anzeichen für Strukturresonanzen ist, dass Ferrite oft nicht so effektiv arbeiten, wie sie sollten. Im ersten Fallbeispiel beispielsweise unterdrückten Ferrite am Stromkabel der Kamera das Rauschen nicht wie erhofft. Die Verwendung eines Ferrits als Filterelement zur Reduzierung der Kabelresonanz ist normalerweise wirksam, da Ferrite ohmsch (verlustbehaftet) sind und als Dämpfungselement wirken sollten. Wenn die Hauptstrukturresonanz jedoch nicht das Kabel ist, führt die Zugabe von Ferrit manchmal zu Reflexionen. Dadurch bleibt der Geräuschpegel gleich oder verschiebt sich mit der Frequenz.

Abbildung 7 zeigt die leitungsgebundene Emission eines neu entwickelten PCB-Designs, das ein Resonanzproblem zwischen 50 und 100 MHz verursachte. Wie man sieht, verbesserte das neue Design die Niederfrequenzleistung der Leiterplatte, versagte jedoch bei hohen Frequenzen deutlich. Die Ingenieure stellten fest, dass selbst mit mehreren Ferriten am Stromkabel die leitungsgebundene Emission nicht reduziert werden konnte. Im Frequenzbereich zwischen 50 und 100 MHz blieb das Rauschprofil hoch.

Abbildung 7: Ergebnisse der leitungsgebundenen Emission der Leiterplatte in der Entwicklung; gelbe Spur – Umgebung, rosa Spur – bisheriges Design, blaue Spur – neues Design

Bei der Überprüfung des Layouts wurde festgestellt, dass die Ingenieure es versäumt hatten, das Chassis und die Grundplatte der Leiterplatte zu verbinden. Dies führte dazu, dass die Masseebene der Leiterplatte beim Betrieb des Prüflings mit dem Chassis in Resonanz kam. Auf der Grundebene wurde in Bezug auf das Chassis ein hoher dV/dt entwickelt, der die Emissionen in die Höhe treibt. Eine schnelle Kupferbandverbindung zwischen den Erdungs- und Chassispunkten auf der Leiterplatte (dargestellt in Abbildung 8a) reduzierte das Rauschen im interessierenden Frequenzbereich um mehr als 20 dB (Abbildung 8b).

Abbildung 8: (a) Verbindung des Chassis und der Masseebene durch Kupferbandverbindungen (b) Die Ergebnisse der leitungsgebundenen Emission verbesserten sich erheblich

Bei der Behebung von EMI-Problemen gibt es einige Anzeichen, die auf strukturelle Resonanzen hinweisen. Strukturresonanzen erhöhen die Emissionen im Resonanzfrequenzbereich (und seinen Harmonischen) und führen außerdem dazu, dass das getestete System empfindlicher auf externe Störungen bei der Resonanzfrequenz reagiert. Manchmal kann das Hinzufügen von Ferriten die durch Strukturresonanzen verursachten Probleme nicht beheben, und das Hinzufügen von Kondensatoren verschiebt die Resonanzfrequenz. Der erste Schritt zur Behebung dieser Probleme besteht darin, die Resonanzstruktur zu identifizieren und zu lokalisieren. Sobald dies erledigt ist, umfasst die Lösung der Probleme häufig die Isolierung, Dämpfung und die Verbesserung der Erdungsverbindungen.

KomponentendesignemiMin ZhangpcBresonanzen

Dr. Min Zhang ist Gründer und leitender EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurbüro, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, elektrische Maschinen und Produktdesign kommt Unternehmen weltweit zugute.

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