EMI/RFI elleni árnyékolás kereskedelemben kapható megfelelő fémdobozokkal és kapcsokkal

Napjaink áramkörei szélesen változó intenzitású és frekvenciájú elektromágneses (EM) energiák tengerében úsznak. Az ennek eredményeként létrejövő elektromágneses interferencia (EMI) és rádiófrekvenciás interferencia (RFI) (amelyet gyakran együttesen az elektromágneses összeférhetőségi (EMC) témán belül említenek) mindenütt jelen levő, egymással összefüggő jelenségek, amelyek befolyásolják az áramkör megfelelő működését és a termék hivatalos engedélyezését. Noha ez már az elektronika kezdetétől fogva is egy mindig jelen lévő probléma volt, ma már ez egyre nagyobb kihívást jelent a vezeték nélküli kapcsolatok széles körű jelenléte, a magasabb frekvenciák, az érzékenyebb áramkörök, illetve az alacsonyabb feszültségű sínek használata miatt.

Az áramkört befolyásoló interferencia szándékos és nem szándékos közeli elektromágneses energiakibocsátóktól származhat, és természetes vagy ember alkotta források okozhatják. Maga az áramkör is bocsáthat ki nemkívánatos vagy elfogadhatatlan elektromágneses energiát, amely hat a közelben levő elektronikus berendezésekre. Az EMI/RFI energiákkal kapcsolatos problémák enyhítésére használt egyik leggyakoribb megoldás az árnyékolás alkalmazása az áramköri kártya kritikus részei vagy akár egy teljes modul körül. A deszkamodell és a prototípus fázisában ez az árnyékolás lehet egy improvizált megoldás, a probléma megértése, csillapítása és megoldása érdekében. Az ilyen rögtönzött megoldások azonban nem kompatibilisek sem a gyártási környezettel, sem a tesztelő, hibakereső és javító állomásokkal.

Ez a cikk azonosítja a nyomtatott áramköri kártyákat, szerelvényeket és termékeket érintő alapvető EMC kihívásokat. Majd bemutatja a Harwin kereskedelemben kapható megoldásait és azok használatát a műszaki hatékonyság és a gyártási kompatibilitás érdekében.

Az EMC-problémák két úton jelentkeznek

Az elektromos interferencia energiája vezetés vagy sugárzás útján juthat el a forrásból a „szenvedő alany” áramkörébe (1. ábra). A vezetéses esetben az energia vezetőkön, azaz vezetékeken és kábeleken halad. A tervezők általában ferritgyöngyök, szűrők, fojtótekercsek és más passzív komponensek használatával csillapítják ezt az energiát. A sugárzásos esetben az energia útja levegőn vagy vákuumon keresztül vezet a forrástól a sugarakkal bombázott alanyig, fémes vezetők nélkül.

1. ábra: A nem kívánt elektromágneses energia vezetéssel kábelezésen keresztül, illetve sugárzással levegőn vagy vákuumon keresztül léphet be egy rendszerbe vagy léphet ki onnan. (Kép: Slideshare.net, „Az EMI/EMC áttekintése”)

Ezek a nemkívánt hatások néha csökkenthetők a forrás vagy a sugarakat befogadó alany alkatrészeinek áthelyezésével, de ez egy időigényes folyamat, amely általában nem praktikus, lehetetlen vagy hatástalan. Hasonlóképpen, a szűrés sem egy életképes lehetőség, mivel a zavaró EMI/RFI energia nagy része az érintett üzemi rádiófrekvenciás (RF) sávba esik, és egy ilyen szűrés a kívánt jel erősségét is csökkentené, veszélyeztetve a rendszer hatékonyságát.

Egyes sugárzásos EMI eseteknél néha úgynevezett „szórt spektrumú” technikát alkalmaznak az EMI-csúcskibocsátás csökkentésére az üzemi frekvencián. Ebben a megközelítésben az áramkör órajele véletlenszerűen „szór” a névleges frekvenciája körül, a frekvenciaugrás egyik formájaként. Ez elosztja az RF energiát a spektrumon, de nem csökkenti a teljes kibocsátott energiát (2. ábra).

2. ábra: A moduláció elosztja az órajelet az RF spektrumon és így csökkenti az energia csúcsértékét, de nem csökkenti a teljes nem kívánatos elektromágneses energia mennyiségét; a csúcsértékek csillapítása egyes alkalmazások esetében elegendő javulás lehet. (Kép: DigiKey)

A szórt spektrumú megközelítés egyes tervezők szerint „csalás”, mivel elsősorban azért alkalmazzák, hogy megfeleljenek a kibocsátási határértékeknek, míg mások egyszerű és elegáns megoldásnak tartják. Elsősorban kapcsolóüzemű DC-DC szabályozóknál alkalmazható, ahol nem létfontosságú egy rögzített működési frekvencia biztosítása. A frekvenciaugrásos szórt spektrumú módszer azonban nem használható sok olyan helyzetben, ahol a vivő és a működési frekvencia stabilitásának kritikus jelentősége van.

Gyakran a passzív árnyékolás jelent megoldást

Az EMC problémák többségében a zavaró energiát kibocsátó áramkör nem tartozik a tervező hatáskörébe, mégis csökkentenie kell a zavart a forrásnál vagy a sugárzást szenvedő alanynál. A sugárzásos EMI/RFI kezelésére egy hatékony és széleskörűen alkalmazott megoldás a zavaró energiaforrás vagy a védendő alany köré helyezett földelt fém árnyékolás, ha a körülményektől függően ez megoldható. Ez két mérnöki problémát vet fel:

• A nyomtatott áramköri kártya mely részét (részeit) kell árnyékolni?
• Hogyan kell megvalósítani ezt az árnyékolást gyártási környezetben a piacra jutási időre, a költségekre és a gyártásra gyakorolt ​​hatás minimalizálása mellett?

Az árnyékolást igénylő terület vagy területek számos esetben nyilvánvalók, ilyen például egy RF adó-vevő fokozat. Más esetekben viszont több munkát igényel az áramkör azon részének felkutatása, amely vagy túl sok EMI/RFI-t generál, vagy érzékeny arra. Az ilyen területek megtalálásához a tervezők gyakran építenek egy kicsi, az EMI-t át nem engedő, vezető anyagú dobozt a vizsgált terület bezárására és árnyékolására. A terméktől és a kialakítástól függően ez a doboz lehet csupán körömnyi méretű, de előfordulhat hogy elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy egy teljes nyomtatott áramköri kártyát befogadjon.

Kisebb RF burkolatoknál vékony rézlemezből hajtogatott doboz használható, forrasztott vagy vezetőképes ragasztóval ellátott rézszalaggal bevont varratokkal. Közepes és nagyobb házak esetében a burkolatot alkotó maratatlan NYÁK-lap darabok a szükséges méretre szabhatók, és az összes varrat ragasztott vagy forrasztott lehet (3. ábra). Az alapstabilitás érdekében bizonyos esetekben a varratokat először néhány helyen pontforrasztással rögzítik, majd vezetőszalaggal lefedik.

3. ábra: Ez a kis nyomtatott áramköri kártya körüli árnyékoló burkolat (eltávolított fedéllel) kis méretű maratatlan NYÁK-lap darabokból készült, forrasztott varratokkal. (Kép: QRP HomeBuilder)

A dobozt ezután a kártyán lévő vizsgálandó területre helyezik, majd a nyitott fenék és a nyomtatott áramköri kártya közötti varratvonalat alacsony impedanciájú RF földre forrasztják. A gyakorlatban ez valójában nagyobb kihívást jelenthet, mint amilyennek látszik, mivel a nyomtatott áramköri kártyán gyakran még nincs meg a felépített doboz kerületének megfelelő földelősáv. Bár akár néhány csatlakozási pont is elegendő lehet, a folytonosabb földelt varrat azt jelenti, hogy kevesebb útvonal áll rendelkezésre a rádiófrekvenciának dobozba vagy dobozból történő szivárgására.

Van egy másik probléma is ezzel a forrasztott megoldással. Számos nyomtatott áramköri kártya vékony vezetősávokkal rendelkezik, emiatt a tesztdoboz rá- vagy leforrasztása valószínűleg károsítja ezeket és tönkreteszi a kártyát. Ezért jó ötlet, ha RF szondákkal és térerőmérőkkel néhány mérést végezve értékeljük helyzetet, mielőtt megépítenénk és felhelyeznénk ezeket az árnyékoló burkolatokat .

Egy ettől jobb prototípus-árnyékolási megoldás

Az árnyékolódoboz rézfóliából vagy rézzel bevont nyomtatott áramköri lapokból valóban elkészíthető, de a folyamat időigényes. Kezelni kell az FR-4 alaplemezt is (NYÁK-lapok használata esetén), amelyet a megfelelő felszerelés nélkül nehéz levágni, ráadásul, ha nem visel kesztyűt, kellemetlen üvegszálas „szilánkok” maradnak a szerelő ujjaiban. Még a csupasz rézlemez használata is problémás, mert gondatlan kezelés esetén megvághatja az ujjait és egy kis hajlítógépre is szükség lehet az élek és sarkok szabályos 90°-ra hajlításához. Az árnyékoló tesztdoboz megszerkesztésekor ami először egy egyszerűen kivitelezhető barkácsmegoldásnak tűnhet, mégsem olyan gyors és egyszerű, mint amilyennek látszik, bár minden bizonnyal kivitelezhető.

Szerencsére adódik egy jobb megoldás a Harwin S01-806005KIT RFI árnyékolódoboz-készletének használatával. Ez a készlet két 5 mm-es maratott négyzetrácsot tartalmazó árnyékolódoboz-lapot, valamint 24 RFI árnyékoló kapcsot tartalmaz és könnyen követhető utasításokkal látták el. Egy alapvető hajtogatott doboz készítéséhez egyszerűen rajzolja meg a szükséges méretű kiterített dobozt, vágja le a felesleges lapanyagot, a fennmaradó anyagot hajtsa meg a maratott vonalak mentén egy fémvonalzót használva vezetőként és „hajlítógép”-ként (4. ábra).

4. ábra: A Harwin S01-806005KIT RFI árnyékolódoboz-készlet használatával a felhasználók könnyen elkészíthetik egyedi méretű árnyékoló dobozaikat az 5 mm-es maratott rácsmintával ellátott mellékelt fémlapokból. (Kép: Harwin)

A doboz ekkor kész az áramköri lapra történő rögzítésre. Egyszerűen be kell pattintani a mellékelt S1711-46R RFI árnyékoló kapcsokba, amelyek reflow eljárással vagy akár kézzel is ráforraszthatók a kártyára (5. ábra). Ez sokkal jobb megoldás, mint megkísérelni a doboz közvetlen ráforrasztását a kártyára és lehetővé teszi a doboz egyszerű eltávolítását is, ha az szükséges a „bedobozolt” áramkör teszteléséhez, méréséhez, kiértékeléséhez, illetve a hibakereséshez.

5. ábra: A mellékelt S1711-46R RFI árnyékoló kapcsot a nyomtatott áramköri kártyára kell forrasztani, utána az S01-806005KIT RFI árnyékolódoboz-készlet használatával készített dobozok könnyen csatlakoztathatók hozzá. (Kép: Harwin)

A prototípus nem gyártás

Bár a saját készítésű dobozok vagy a Harwin árnyékolódoboz-készlet irányadók lehetnek az EMC-megoldás tekintetében, egyikük sem kompatibilis a nagy volumenű vagy akár kis mennyiségű gyártással. Nyilvánvaló, hogy a burkolatok NYÁK-lapok „hulladékaiból” vagy hajtogatott rézlemezekből való, nagy mennyiségben történő megépítése többlet gyártási lépéseket és időt igényel, ráadásul nem szabványos cikk, amelyet fel kell venni az anyagjegyzékbe. Még ha ez el is fogadható, a csatlakoztatásukat a nyomtatott áramköri kártyához kézi forrasztással kell végezni a ház és a kártya közötti illesztés mentén, ellentétben a többi alkatrész reflow eljárással történő forrasztásával. Így jó esély van a kártya sérülésére, és ugyanakkor a tesztelés vagy javítás céljából történő eltávolítás sem praktikus.

A problémára ismét jobb megoldást ad a Harwin előregyártott RF árnyékoló dobozainak és megfelelő rögzítő kapcsainak használata. Ezek a jó RF vezető, galvanizálatlan nikkel-ezüst anyagú négyszögű dobozok széles alapterület- és magasságválasztékban kaphatók a 10 mm x 10 mm x 3 mm magasságú, 0,15 mm anyagvastagságú S03-10100300R-tól (6. ábra) a nagyobbakig, ilyen például az S01-50250500, melynek méretei 25 mm x 50 mm x 5 mm, 0,3 mm anyagvastagsággal.

6. ábra: A Harwin S03-10100300R árnyékoló doboz méretei 10 mm x 10 mm x 3 mm (0,394 x 0,394 x 0,12 hüvelyk) amely jól illeszkedik napjaink kis RF áramköreihez. (Kép: Harwin)

Ezek a dobozok önmagukban csak a gyártásbarátsági követelménynek egy részét oldják meg. Ezért a Harwin kapcsok széles választékát kínálja, amelyek automatizált beültetésre készek és reflow eljárással forraszthatók a nyomtatott áramköri kártyára (7. ábra). A dobozok azután könnyen becsúsztathatók a kapcsokba és kihúzhatók onnan, könnyű hozzáférést biztosítva a komponenshez tisztítás vagy utómunka céljából. A különféle kapcsok különböző kártyakonfigurációkhoz igazodnak elrendezés, tájolás, hozzáférés és a szomszédos nyomtatott áramköri kártyák vezetősávjaival és földjeivel szembeni interferencia, valamint a dobozok anyagvastagsága szempontjából.

7. ábra: Az árnyékolási és szerelési megoldást teljessé tevő kiegészítő dobozszerelő kapcsok különböző kialakításokban és méretekben kaphatók a doboz anyagvastagságának megfelelően, illetve változatos elrendezéssel a különböző nyomtatott áramköri kártyák támasztotta igények kielégítésére. (Kép: Harwin)

Rendelkezésre állnak mindössze 0,8 mm (0,031 hüvelyk) magasságú mikro kapcsok, illetve 90°-os sarokkapcsok is, a lokalizált örvényáramú interferenciák ellen. Az árnyékolókapcsok kompatibilisek a kereskedelemben kapható vagy egyedi dobozokkal a 0,13...1,00 mm anyagvastagság-tartományban.

Az RF csillapítás és a hűtés

Alapvető tény az áramköri komponenseket körülvevő szilárd fémdobozokra vonatkozóan, hogy akadályozzák az általuk közrefogott komponensek felületét hűtő konvekciós légáramlást. Úgy tűnhet, hogy ez sok alkalmazásban kizárja az árnyékoló dobozok használatát, de valójában nem ez a helyzet. Ennek oka, hogy a dobozok az adott modelltől és mérettől függően 0,15...0,3 mm vastag fémből készülnek. Ez a vastagság csak kis akadályt jelent a doboz belsejéből kifelé irányuló vezetéses hőáramlás számára. A külső felületre átvezetett hő természetes vagy mesterséges konvekcióval, illetve más módon vezethető el.

Ebben a tekintetben termikus szempontból egy vékony fémdoboz sokkal jobb, mint egy közönséges FR-4 NYÁK-lemezből készült árnyékolt burkolat, amely az 1-3 W/mK hővezető-képességével és 1,6 mm standard vastagságával sokkal nagyobb hőimpedancia-gátat jelent. Hasonlítsuk ezt össze a nikkel-ezüst hővezető-képességével, amely körülbelül 1000-szer nagyobb, ráadásul az anyagvastagság is sokkal kisebb (ismételjük, mindössze 0,15...0,3 mm). A vékony fémdoboz hűtésre gyakorolt ​​hatását alapvető hőmodellezéssel lehet számszerűsíteni. Tehát szinte minden esetben bevált gyakorlat követni azt a szokásos technikát, hogy a doboz alatt levő nyomtatott áramköri kártya nagy hővezető-képességű rézrétegeire bízzák a kártyára szerelt komponensek által termelt jelentős mennyiségű hő eltávolítását.

Árnyékoló dobozok használatakor a hőáramlás javítására nyilvánvaló megoldásnak tűnik, hogy lyukakat helyezzünk el a doboz felületén. Ez azonban új kérdéseket vet fel. A lyukaknak elég kicsiknek és egymástól elég távolinak kell lenniük ahhoz, hogy ne tegyék lehetővé az RF szivárgást. Mivel a megengedett legnagyobb átmérő és az egymástól mért távolság a hullámhossz függvénye, az első tipikus iránymutatás az lehet, hogy bármely nyílás mérete legfeljebb az árnyékolt legrövidebb hullámhossz tizedére választható.

A kritikus hullámhossz, és így a lyuk méretének meghatározása azonban nem mindig könnyű vagy kézenfekvő, mivel a zavaró RF energia a termék látszólagos működési vagy vivőfrekvenciájánál magasabb frekvenciákon (és így rövidebb hullámhosszokon) lehet. Gondoljuk meg, hogy egy zavaró gigahertzes frekvenciájú jel túlterhelheti és túlvezérelheti a közelében levő megahertzes frekvenciájú front-end erősítőt. Így a megengedett maximális furatméretnek sokkal kisebbnek kell lennie, mint ami a termék működési frekvenciájának első lépésben végrehajtott egyszerű elemzésből következik.

Nem szabad figyelem elől téveszteni, hogy az áramkör működésének biztosítása mellett az árnyékoló dobozok és kapcsok másik célja az is lehet, hogy széles frekvenciatartományban rádiófrekvenciás csillapítást nyújtsanak a termékre vonatkozó előírásoknak történő megfelelés céljából. Ezek az EMC-vel kapcsolatos szabályozási szabványok határozzák meg azt a maximális RFI/EMI értéket, amelyet egy termék létrehozhat az RF spektrum különféle zónáin belül, illetve egy EMI/RFI sugárzást szenvedett termék megengedett érzékenységét, a névleges működési frekvenciától függetlenül.

Ezért az árnyékolásnak gyakran több feladata van, mint a megfelelő működés biztosítása a nyilvánvaló működési frekvencián, hanem szélesebb elektromágneses spektrumban is csillapítást kell megvalósítania. A csak a névleges működési frekvenciára méretezett hűtőlyukak használata csökkentheti a rövidebb hullámhosszokon megvalósuló csillapítást és befolyásolhatja a hatósági engedélyezést.

Összegzés

Az elektromágneses kompatibilitás és az RFI/EMI problémák szinte minden elektronikai terméket és alkalmazást érintenek, és a vezeték nélküli kommunikáció növekvő használata a magasabb frekvenciákkal együtt egyre nagyobb kihívást jelent a tervezés számára. A kisugárzott EMI/RFI miatti számos probléma megoldása gyakran azt jelenti, hogy RF árnyékolás céljából teljesen beburkolják az érintett áramkört.

Ezek a dobozok standard elemekként, sokféle méretben kaphatók, különféle konfigurációjú nyomtatott áramköri kapcsokkal együtt, amelyek lehetővé teszik a dobozok könnyű csatlakoztatását az áramköri kártyához vagy eltávolítását onnan. A kapcsok teljes mértékben kompatibilisek az SMT tokozású alkatrészek beültetéséhez és forrasztásához mennyiségi termelési környezetben használt berendezésekkel is.