Pruebas de EMC, emisiones radiadas

Recientemente probé uno de mis nuevos productos recargables de iones de litio (escaneo de cumplimiento previo de RE) y obtuve algunas frecuencias (alrededor de 150 MHz) (7-10 dBuV/m) por encima de los límites de la FCC y CISPR.

No soy un experto en el manejo de problemas de EMC/EMI de ninguna manera, pero estoy familiarizado con las prácticas adecuadas de diseño/enrutamiento de PCB para minimizar las posibilidades de problemas. No creo que la PCB sea el problema. Pero vamos a ver lo que todos ustedes piensan. Puedo proporcionar imágenes del diseño si es necesario.

He hecho algunas pruebas usando sondas de campo cercano H y E y una antena VHF StiCo de 18" para tratar de captar algunos de estos armónicos. Los campos no parecen muy fuertes en las frecuencias problemáticas (+17-20 dBuV/m con el inductor dentro del bucle de mi sonda de campo BeeHive 100C H entre 50-150 Mhz. Esto no me parece mal (pero de nuevo, no soy un experto en EMC). El campo tiene un armónico de 500 kHz, lo que confirma que proviene de el conmutador que funciona a esa frecuencia. No hay nada más en el tablero que genere ruido. La medición cae a cero cuando se mueve más de una pulgada de la fuente de emisiones. No capto nada con las sondas de bucle más pequeñas. Veo un (+5 dBuV) Campo E al sondear el conmutador y el inductor directamente.

Sé que es muy difícil vincular causalmente las mediciones de campo cercano con los resultados de campo lejano, pero ¿sería seguro deducir de todo esto que probablemente no estoy irradiando desde la PCB? ¿Hay alguna otra forma de confirmar esto? Me parece que el cable de entrada es mi problema. No tengo ningún otro filtro EMI en la placa aparte de las tapas de derivación de cerámica.

Mi próximo paso será hacer algunos escaneos más usando una ferrita con clip. Si eso funciona y me da un buen margen, entonces probablemente especificaré un nuevo convertidor AC/DC con la ferrita incorporada. También estoy pensando en agregar un filtro EMI adecuado a la placa, pero simplemente no creo Tengo suficiente espacio en la PCB para esos componentes, por lo que la ferrita parece ser mi única opción.

Algunas notas sobre el diseño de PCB que creo que pueden ser pertinentes;

  • La PCB es pequeña, 25 mm x 28 mm, 6 capas con trazas muy cortas y planos de alimentación/tierra
  • La PCB está contenida dentro de una carcasa de metal (aluminio) conectada a tierra que está abierta en un solo extremo
  • Entrada de 12 V, salida de 3 V, salida de 2,5 A
  • Conmutador Maxim integrado de 500 kHz con capacidad de corriente de salida continua de 4 A
  • El regulador es muy estable y funciona con una eficiencia del 90 % con un nodo de conmutación limpio/sin timbre
  • Usando un inductor Coilcraft blindado de 5x5 mm
  • El sistema utiliza una base de soporte de carga que tiene un cable largo (1 m) que proporciona alimentación de entrada

Cualquier entrada o sugerencia sería apreciada. Gracias

Cualquier no linealidad (y cualquier unión es una no linealidad) puede mezclar múltiples energías y convertir a 150 MHz como la suma de los tonos de entrada.
Creo que es seguro decir que no es un tipo de radiación de antena de parche, porque su placa es demasiado pequeña para eso y la longitud de onda a 150 MHz es de aproximadamente 2 metros. Entonces podría ser un bucle inductivo en su placa o su cable que está irradiando. Es muy probable que esta frecuencia de 150 MHz se origine en el diseño o disposición del conmutador.
¿La carcasa de aluminio está conectada eléctricamente a la tierra electrónica? ¿Está conectado desde múltiples puntos?
"Tenía algunas frecuencias (alrededor de 150 MHz)" ´¿Podría compartir las frecuencias exactas? ¿Las capas 1 y 6 de PCB son principalmente de vertido molido y las trazas viajan en las capas internas? ¿Podría compartir algún esquema/diseño?
@analogsystemsrf Punto interesante.
@Mikey Sí, la carcasa está conectada eléctricamente a la tierra común con la PCB y la batería. Sí, hay múltiples puntos de tierra. El PCB está conectado a la carcasa y la batería a través de un marco de plomo moldeado de plástico. No estoy muy seguro de por qué nuestros ME lo diseñaron de esta manera (con múltiples motivos). Pero heredé este proyecto y cambiar eso no es una opción ahora. El laboratorio no proporcionó escaneos RBW estrechos, pero algunas de las frecuencias problemáticas en un escaneo sí lo fueron; 132.673667, 135.126000, 139.692667, 141.659667, 142.184667. En otro escaneo fue; 136.232000, 138.849333, 141.908333.
@Mikey Sí, la primera capa es mucho terreno, pero también hay algunas rutas de poder. El sexto es todo terreno y sin componentes. Tengo una pequeña cantidad de rastros cortos en la primera capa. El resto de las trazas se encuentran en la segunda y la tercera capa y se alejan/alrededor de las áreas de conmutación. Puedo compartir el diseño. Una vez que descubra cómo...
Agregaré aquí que obtuve algunos escaneos de emisiones realizadas y todos estaban pasando, aunque se acercaron mucho al límite a 150 kHz. En general, CE fue bastante alto, alrededor de 35-40 dBuV en todos los ámbitos.
¿Puede replicar las fallas con una fuente de alimentación de laboratorio? ¿Puede construir un estrangulador de modo común crudo (toroide, conductores de núcleo sólido) en la entrada?

Respuestas (3)

Según tengo entendido, tiene una fuente de alimentación conmutada que tiene una emisión no deseada. Su fuente de alimentación conmutada está bloqueada en 500 KHz y genera una salida de 3 V/2,5 A.

Uno de los métodos confirmados para reducir la EMI radiada es usar un reloj de espectro ensanchado en lugar del fijo (que en este caso es de 500 KHz). Si simplemente pudiera agregar algo de fluctuación al reloj (por ejemplo, 500 KHz +/- 20 KHz), la concentración de la energía radiada se distribuirá en un rango más amplio y la energía radiada total del dispositivo de conmutación se reducirá. Hay un artículo de IEEE que puede ser útil https://ieeexplore.ieee.org/document/1031552 La generación de reloj de espectro ensanchado también es muy efectiva para reducir la radiación conductiva en circuitos basados ​​en microcontroladores y algunos uC de Freescale tienen un motor SSCG incorporado .

Hay algunas otras formas. Si su PCB tuviera suficiente espacio, podría implementar un par trenzado en la PCB para la entrada de línea y lo mismo para la salida de línea (existen algunas patentes estadounidenses para implementar el par trenzado en las PCB). algunos no lo son. En su caso, usar un inductor blindado es mucho mejor. Si tuviera algún control para reducir el tiempo de subida de la señal de 500 KHz, también podría ser efectivo en la radiación.

Consideré el espectro ensanchado. Desafortunadamente, este es un regulador totalmente integrado. Mientras que algunos reguladores tienen pines de sincronización donde puedes variar la frecuencia del reloj, este no los tiene. Tampoco tengo ningún control sobre el tiempo de subida/bajada de los controladores FET internos. El espacio es definitivamente muy limitado en este diseño. No me gustaría infringir ninguna patente con los diseños de par trenzado, pero estoy buscando mejorar mis capas y el enrutamiento de la ruta de alimentación tanto como sea posible. Gracias por esas sugerencias.
@ben. Gracias de antemano por su atención. Afortunadamente, su diseño ha violado el estándar solo para (7-10 dBuV/m). tal vez sea útil si en su PCB de 6 capas cambia las capas inferior y superior a tierra y hace enrutamiento en las capas internas y coloca una CAN conectada a tierra sobre el chip regulador y su inductor. Si pudiera reducir la fuerza de la unidad (de 2.5A a 2A) también podría ayudarlo (si no tiene conflicto con sus requisitos)
Sí, voy a intentar optimizar mi PCB un poco más. Pero [lamentablemente] descubrí que mi adaptador de pared de CA/CC contribuye con la mayor parte del ruido en mis escaneos de prueba. El informe de prueba del adaptador parece casi idéntico en forma y niveles de ruido (con una carga puramente resistiva) a mi informe de prueba con el producto completo conectado.
@ben. Por lo tanto, basta con cambiar el adaptador de CA/CC por el que tiene el estándar CE/FCC real o agregar filtros de línea con núcleo de ferrita ( kgs-ind.com/wp-content/uploads/2017/08/… ) para ambos Líneas de entrada de CA y líneas de salida de CC. También agrega filtros de línea de E/S internos (LC) al adaptador si tiene suficiente espacio dentro de su caja.

A 150Mhz, es casi seguro que su cable esté emitiendo emisiones de modo común. Es muy difícil hacer una antena diferencial efectiva de 2 metros en una PCB (los bucles de corriente de su PCB). Verá radiación de PCB si están presentes en frecuencias mucho más altas.

100-300Mhz es un "rango problemático" común para los cables. Es probable que resuelva este problema con un filtro que reduzca el ruido conducido desde el nodo de entrada de su fuente de alimentación conmutada al cable. La acción de conmutación da como resultado picos de corriente en el cable durante la conmutación. Para la electrónica de baja potencia, una ferrita funcionará bien, para alta potencia (cargadores principales, por ejemplo) se utilizan con frecuencia bobinas de choque e inductores estándar.

Unas pocas decenas de mikroamperios de corriente de alta frecuencia de modo común en un cable son suficientes para que fallen las emisiones radiadas. Puede identificar si el cable es un problema durante la prueba sujetando un núcleo de ferrita a su alrededor. También puede estimar la magnitud y la frecuencia de la corriente con una buena sonda de corriente y un analizador de espectro.

Hay dos fuentes principales de frecuencias generadas por el conmutador. La más obvia es la forma de onda de conmutación principal, cuyos componentes son fáciles de identificar como algunos múltiplos de la propia conmutación. La segunda fuente es el timbre generado por los parásitos entre la inductancia y las capacitancias en el diseño del conmutador. ¡Este timbre puede aparecer en una frecuencia no relacionada con la frecuencia de conmutación del regulador! Entonces, si tiene una nueva frecuencia desconocida, es probable que suene en alguna parte. Por lo general, los componentes fundamentales de estos aparecerán como "lóbulos" de un ancho de banda considerable en comparación con las señales digitales.

En mis últimas pruebas de EMC en la cámara, tuvimos el mismo problema: la fuente de alimentación de CC era una gran fuente de ruido. Por supuesto, para reducir este ruido, puede utilizar una abrazadera de ferrita.

Una forma más económica y eficiente es implementar un estrangulador de modo común en la entrada de energía de su PCB. Además, agregue algunos MLCC en el rango de unos pocos pF cerca de la entrada. En tamaño 0402 o 0603 tienen una alta frecuencia de resonancia y deberían ser capaces de reducir el ruido proveniente de la fuente de alimentación.

Tuve el mismo problema hace unos días y ahora estoy trabajando en una solución a nivel de placa.

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