Equipotentiaal ontwerp

Transcriptie

1 Equipotentiaal ontwerp KHBO, Hobufonds EMCSYS ing. Wouter Debaets ing. Nico Dedeine ing. Alexander Dekeyser Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 1

2 1 INLEIDING DOELSTELLING : ONDERZOEKSMETHODES : METINGEN IN EEN AFGESCHERMDE KOOI PROEFOPSTELLING : DE FYSISCHE SCHAKELING: DE VERSCHILLENDE ONTWERPEN VAN PRINTPLATEN: NORMEN MEETRESULTATEN EN CONCLUSIES: ONTWERP A: Het effect van het plaatsen van een filter : Invloed van een grondplaat op 1 printplaat Gekoppelde stroompaden Invloed van een betere massaconnectie van de filter Invloed van de positie van de twee printplaten t.o.v. elkaar Invloed van een grondplaat op het totale systeem van 2 printen op ontwa ONTWERP B: Vergelijken Ontwerp B met Ontwerp A Het effect van het plaatsen van een filter Invloed van de kwaliteit van de referentie aan een grondplaat op 1 printplaat Invloed van equipotentiale vlakken en grondplaten op het totale systeem van 2 printen toegepast op ontwb Invloed van de positie van de twee printen t.o.v. elkaar op ontwb INVLOED VAN DE VOEDINGSPANNING ONTWERP C: Vergelijking van ontwerp C met ontwerp A en ontwerp B; Effect van het gebruik van een filter: Effect van ferrieten op UTP: Kwaliteit van de connectie van het scherm van een FTP kabel Effect van ferrieten op de FTP- kabel Effect van ferrieten op het netsnoer van de gestabiliseerde voeding ONTWERP D: Vergelijking tussen het D ontwerp en de andere onderwerpen Effect van verschil van de plaats van de ferrieten met een UTP Effect van het plaatsen van een grondplaat (kwaliteit van de connectie) Effect van het plaatselijke afschermen van de klok Antennewerking van draden aan het massavlak Antennewerking van klokdistributiebanen Connectiekwaliteit van een afgeschermde kabel INVLOED VAN EEN MASSAVLAK OP PCB INVLOED VAN DE AFSTAND TUSSEN DE PRINTEN IN GEVOUWEN CONFIGURATIE DE INVLOED VAN EEN ANDERE TECHNOLOGIE WAT IS DE INVLOED VAN EEN RACK SYSTEEM WAT GEBEURT ER IN DE HOGERE FREQUENTIES SAMENVATTENDE ONTWERPTIPS: NEC- SIMULATIES : INLEIDING GESTREKTE CONFIGURATIES Gestrekt zonder grondvlak Gestrekt met grondvlak GEVOUWEN CONFIGURATIES Gevouwen zonder grondvlak Invloed van de afstand tussen de printen INVLOED VAN DE TECHNOLOGIE BIJLAGE 1 : MEETRESULTATEN VAN ENKELE TYPISCHE METINGEN...38 Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 2

3 1 Inleiding 1.1 Doelstelling : Deze studie beoogt het effect van niet equipotentiale massavlakken van een systeem opgebouwd uit twee of meerdere PCB s verbonden met een flatcable te bestuderen. EMC- metingen voor emissie uit de praktijk duiden erop dat meervoudige systemen moeilijker de normen halen dan enkelvoudige systemen. In die systemen wordt de massa meestal enkel overgenomen door één verbinding via de flatcable. Dit wordt op hoogfrequent gebied een hoog impedante verbinding en zorgt voor niet equipotentiale massavlakken. Deze vlakken krijgen een dipool werking en zorgen dus voor een verhoogde uitstraling. Verder wordt nog nagegaan welke rol de klok in het geheel speelt en hoe deze invloed kan worden beperkt. 1.2 Onderzoeksmethodes : Enerzijds worden algemene structuren met het programma NEC (NEC- WIN Professional TM version 1.1) gesimuleerd. Er wordt bekeken wat de verschillende configuraties van vlakken aan uitstraling geven. En welke eerder een versterkend karakter hebben. NEC is gebaseerd op een draadmodel en is in de eerste plaats bedoeld voor het simuleren van antennes. Anderzijds wordt in een afgeschermde meetkooi [1] het effectieve uitstralingsspectrum opgemeten. Ook hier worden verschillende configuraties gemaakt en uitgetest. [1] kooi met partiële absorptie (ref. : University of York/ Parlis project: partial lining) Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 3

4 2 Metingen in een afgeschermde kooi 2.1 Proefopstelling : Er werden verschillende uitvoeringen van één algemeen schema gemaakt. De proefopstelling bestaat uit twee printplaten al dan niet met massavlak. Op een printplaat wordt een klok signaal (20MHz) gegenereerd en over een flatcable naar de tweede printplaat gebracht. Dat signaal wordt zes maal gedeeld door 10 en terug over de flatcable naar de eerste print gebracht. Massa en Vcc voor de tweede print worden ook via de flatcable meegestuurd (over telkens één draad). Principeschema : GRONDPLAAT P CB 1 KLOK 20 MHz decoder tiendeler tiendeler FLATCABLE VCC GND 20 MHz clock signal 20 Hz signal PCB tiendeler tiendeler tiendeler tiendeler tiendeler tiendeler decoder tiendeler tiendeler 2.2 De fysische schakeling: De datasheets van de printontwerpen met de gebruikte componenten worden gegeven in bijlage 2. Voor alle duidelijkheid worden in deze studie volgende begrippen gehanteerd: Een massavlak is een laag van de print zelf. Een grondplaat is een messing plaat die onder de print wordt geschoven. Een grondplaat komt in de praktijk meestal overeen met het chassis van het systeem. ( ) Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 4

5 2.3 De verschillende ontwerpen van printplaten: Van PCB1 (zie figuur in punt 2.1) zijn zes uitvoeringen gemaakt. Telkens werd een verandering aangebracht met de bedoeling om het systeem onder de EN55022/ klasse B norm te krijgen. De verschillende ontwerpen zijn: 1) OntwA :Het originele ontwerp Werd zodanig gemaakt dat de printplaat zo veel mogelijk straalt en dus werden er zoveel mogelijk basisregels met voeten getreden. 2) OntwB: Om een lichte verbetering te krijgen werden de massabanen breder gemaakt en beter geplaatst. Er werd er voor gezorgd dat de massabanen de printplaat niet meer in twee splitsen. 3) OntwC: Er werd een massavlak aan toegevoegd en de IC s werden zonder ICvoetjes gemonteerd op de printplaat 4) OntwD: Rond de klok komt er een massavlak bij dat enerzijds op zich al een zeker scherm vormt en anderzijds de mogelijkheid geeft om de klok plaatselijk af te schermen met geleidende tape. 5) HCB : Identiek aan OntwB maar met HC technologie in plaats van TTL technologie 6) HCE : Identiek aan Ontw D maar met HC technologie in plaats van TTL technologie 7) Ontw1 : Dit is het eerste ontwerp van PCB2. Dit is zonder massavlak en met IC voetjes. 8) Ontw2 : Dit is het tweede ontwerp van PCB2. Dit is een ontwerp met een massavlak. Met HC technologie componenten die zonder IC voetje zijn gemonteerd. 2.4 Normen Om een referentie te hebben wordt de norm EN /B op de grafieken van de metingen weergegeven. De B norm, de residentiële norm, is de strengste norm. De A norm ligt 10dB hoger en is dan toepassing voor apparaten in een huishoudelijke of licht industriële (bureau) omgevingen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 5

6 2.5 Meetresultaten en conclusies: De grafieken van de metingen worden gegeven in bijlage 1 die te verkrijgen is bij Johan Catrysse ( Technologisch Centrum,KHBO in Oostende ). In dit verslag met verkorte bijlage wordt enkel een paar typische resultaten weergegeven. In deze tekst worden de principes verduidelijkt en de besluiten getrokken. De verschillende aspecten die onderzocht worden zijn: 1) Het effect van filters 2) Het effect van de keuze van de plaats van de voeding 3) Het effect van massaplaten en hun grootte 4) De gevolgen van het gebruik van meerdere printen 5) De uitstraling bij verschillende posities van de printen 6) De verschillende manieren van massaverbindingen tussen 2 PCB s 7) Het effect van het gebruik van een afgeschermde voedingskabel 8) Het effect van plaatselijke afscherming van de klok 9) De invloed van de voedingspanning 10) Het effect van verschillende manieren van connecteren van het scherm van een FTP kabel. 11) Draden en pig-tail verbindingen en enkele praktijkvoorbeelden 12) Invloed van de gebruikte technologie 13) T -structuren 14) Wat gebeurt er in de hogere frequenties? Enkele punten worden geïllustreerd door praktijkvoorbeelden. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 6

7 2.6 Ontwerp A: Dit is de originele print zoals hoger beschreven in punt 2.2 en 2.3. Met deze printplaat worden volgende invloeden bestudeerd. 1) Het effect van het plaatsen van een filter a) Voeding op voedingsplaats 1 b) Voeding op voedingsplaats 2 (Betere massa) 2) Invloed van een grondplaat op 1 printplaat a) Voeding op voedingsplaats 1 b) Voeding op voedingsplaats 2 (Betere massa) 3) Invloed van een betere massaconnectie van de filter 4) Invloed van de positie van de twee printen t.o.v. elkaar 5) Invloed van een grondplaat op het totale systeem van 2 printen Het effect van het plaatsen van een filter : Hierin worden twee maal drie voedingsmanieren bekeken: 1) De printplaat gevoed op beide voedingsplaatsen zonder filter 2) De printplaat gevoed op beide voedingsplaatsen met een ferriet filter Ferriet Bead inductor (murata BLO2RN2N62T2001) 3) De printplaat gevoed op beide voedingsplaatsen met een ferriet-/ condensator filter Disc-Type EMIFIL (murata DSS30655FZ103N) Metingen & grafieken: zie bijlage 1 (punt 4.1.0) : OntwA001 tot OntwA006 : De ferriet- filter (ferriet op de positieve voedingsbaan) geeft weinig of geen verbetering. Met de Disc-Type wordt het spectrum iets rustiger. Beide filters zijn niet specifiek bedoeld als filter voor een DC -voeding en werken dus niet optimaal. Komt de voeding toe op voedingsplaats 2 dan wordt het spectrum ook algemeen rustiger. De ferriet- filter heeft geen invloed. De Disc-Type filter filtert meer weg dan op voedingsplaats 1. Dit komt omdat de massaverbindingen van voedingsplaats 2 naar de componenten breder zijn. (zie ook en bijlage 3 ontwerpb) Opm. : Er zijn filters die beter geschikt zijn om DC -voeding te filteren. (vb. BNP002 van murrata). De keuze van een goed filter als ook de plaats ervan (zo dicht mogelijk bij het binnenkomen van de voeding) zijn van groot belang. ONTWERPTIP 1: Besteed voldoende aandacht aan het zoeken van een geschikte filter. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 7

8 2.6.2 Invloed van een grondplaat op 1 printplaat De invloed van de aanwezigheid van een grondplaat en de noodzaak om deze te connecteren met de massa van de printplaat wordt hier bekeken. Ook de invloed van de grondplaat en positie van de voedingsplaats op het rendement van de filter wordt bekeken (door vergelijking met de metingen uit de vorige paragraaf). 1) Printplaat met grondplaat zonder connectie a) op voedingsplaats 1 met filter / zonder filter b) op voedingsplaats 2 met filter / zonder filter 2) Printplaat met grondplaat met connectie c) op voedingsplaats 1 met filter / zonder filter d) op voedingsplaats 2 met filter / zonder filter Metingen & grafieken : Zie bijlage 1: (punt 4.1.0): (punt 4.1.1): OntwA001 tot OntwA006 Vergelijken met OntwA101 tot OntwA108 Wordt de A0xx reeks (zonder grondplaat) met de reeks A101 tot A104 (met een losse grondplaat) vergeleken dan worden de grootste pieken iets kleiner. Vooral met een filter op voedingsplaats 2 is er een daling. Bij een configuratie met een grondplaat die geconnecteerd is, is een filter echt noodzakelijk, zoals af te leiden is uit de metingen. Zonder de filter zijn de kleinere klokpieken groter dan bij de configuraties zonder grondplaat. Wordt er een filter geplaatst dan is dit euvel opgelost en is de configuratie met filter en met grondplaat beter dan die zonder of niet geconnecteerde grondplaat. Het fenomeen dat het slechter wordt door te connecteren komt enkel bij ontwerpa en niet bij de andere voor. Dit zal dus te wijten zijn aan de slechte verdeling van de massabanen van ontwerpa. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 8

9 2.6.3 Gekoppelde stroompaden Elke signaalstroom op een printplaat wekt een geïnduceerd veld op ( jwl). Dit veld bevat in meer of mindere mate al de frequenties die in het spectrum van de opwekkende stroom zitten. De terugkeerstroom is gelijk aan de signaalstroom maar loopt in tegengestelde zin. Het opgewekte veld van de terugkerende stroom is dus gelijk aan het veld opgewekt door de signaalstroom. Enkel de zin en richting kunnen anders zijn naargelang het pad dat de terugkerende stroom volgt. k Wanneer de terugkerende stroom dicht bij de signaalstroom loopt kunnen de opgewekte velden elkaar gaan beïnvloeden. Er is een zekere koppeling tussen beide velden. De koppelingsfactor hangt af van de afstand die zich tussen de twee signaaldragers bevindt. Ideaal is de koppelingsfactor k =1. Het resulterende veld bedraagt (jwl jwm) waarin M de wederzijdse inductie is die afhangt van de k factor. Indien de twee stromen op exact dezelfde plaats zich zouden bevinden dan zou het ene veld het ander veld totaal opheffen. Fysisch is dit niet mogelijk. Men kan er wel voor zorgen dat k zo groot mogelijk is door het terugkerende stroompad zo dicht mogelijk bij het signaalpad te positioneren. Zo onstaat een differential mode systeem. Dit is zo wanneer de terugkerende stroom onmiddellijk onder het signaalpad kan stromen. Met een massavlak is dit mogelijk. In een configuratie met een signaalvlak en een massavlak kiest de terugkerende stroom het pad met de laagste impedantie doorheen het vlak. Het pad met de laagste impedantie is het pad dat zich juist onder het signaalpad bevindt. Door de koppeling onstaat er een totale lager impedantie voor de stroom. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 9

10 2.6.4 Invloed van een betere massaconnectie van de filter De metingen van punt met en zonder filter bij voedingsplaats 1, met en zonder grondplaat, worden opnieuw uitgevoerd. Maar vanaf de filter tot aan de onderste massastrook werd een band geleidende tape aangebracht. Daardoor wordt het baantje aan de filter verbreed tot een vlak, en dus laag impedant gemaakt. Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (punt 4.1.2) A201 tot A209 Vergelijken met vorige 2 reeksen Bij de vergelijking van de A0xx reeks met de A2xx reeks, zonder grondplaat, worden de kleinere pieken een 5 à 10 db kleiner. De grotere pieken blijven onveranderd. Maar het rendement van de filter stijgt dus duidelijk als zijn referentie op een groter grondvlak is aangebracht i.p.v. op een klein baantje. Dit effect wordt nagegaan bij ontwerp B (zie paragraaf 2.6). Daar worden de massabanen breder en beter gepositioneerd. Merkwaardig is dat de piek op MHz een sterke reductie kent door de strip. Dit effect is ook zichtbaar bij ontwerp B. De piek is een veelvoud van de klokfrequentie (8 maal 20 MHz). Het schema van een filter bestaat uit twee spoelen (meestal gevormd door ferrieten) in de signaal tak en een condensator naar massa. Men heeft dit schema als men de condensator op een goede manier met de massa verbindt. Is de verbinding naar massa gemaakt met een baantje of met een te lange connectiedraad. Dan komt er in het equivalent schema een spoelwaarde bij. Voor de hoger frequenties vormt deze spoel een impedantie en zal het rendement van de filter drastisch dalen. ONTWERPTIP 2: Maak massabanen naar de filter voldoende breed (best is een massavlak) zodat er een zo groot mogelijk rendement uit de filter gehaald wordt. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 10

11 2.6.5 Invloed van de positie van de twee printplaten t.o.v. elkaar Hier wordt de invloed van de positie in de ruimte van twee, door een flatcable, met elkaar verbonden printen bestudeerd. Deze invloed wordt nagegaan bij praktisch elk ontwerp. De printen worden boven elkaar geplaatst en in elkaars verlengde. Metingen & grafieken: zie bijlage 1 : (punt 4.1.3) : A301 tot A310 Wordt er een tweede printplaat aangekoppeld dan wordt het uitstralingspatroon een heel stuk slechter. Hier zijn er niet alleen klokpieken maar er treedt ook een hogere basisruis op. Effect van niet equipotentiale vlakken: Als de massa ook op hoogfrequent gebied op dezelfde potentiaal is gezet ziet men een sterke afname van het uitstralingspectrum. Dit komt omdat een verbinding met 1 draad, via de flatcable, DC wel een laagimpedante verbinding vormt. Een hoogfrequent signaal echter ziet wel een zekere impedantie voor deze verbinding. De hoogfrequent signalen die op de massa banen van PCB2 komen kunnen ervoor zorgen dat de massa van PCB2 op een andere potentiaal komt te staan dan die van PCB1 en zodoende wordt er een antenne gevormd. Dit verklaart de daling in uitstraling bij de vergelijking van: A303 met A308 A305 met A310 A306 met A309 zonder filter zonder filter met filter Men ziet hier dat de filter bijna geen effect meer heeft. Behalve bij het plaatsen van een filter (A310 A309), als de massa van PCB1 met die van PCB2 verbonden is door een brede verbinding (geleidende tape), is er een verbetering zichtbaar. Bij dit systeem zijn er twee mechanismen die voor de uitstraling zorgen. De printen op zich vormen een antenne en ook de voedingsdraden zijn een uitstralingsmedium. Het filter heeft geen effect meer omdat de structuur op zich de dominante factor is bij de uitstraling. Worden de massavlakken van de twee printen met geleidende strips verbonden dan komen deze op een zelfde potentiaal te staan en wordt de dominantie van het systeem veel minder. De voedingsdraden gaan weer hun invloed hebben. Een filter kan de invloed van de voedingsdraden verminderen. ONTWERPTIP 3: Zorg voor goede brede massaverbindingen tussen verschillende PCB s zodat ook voor hoogfrequent signalen op het massa niveau geen potentiaalverschillen zijn. Een goede referentie van alle massavlakken aan het chassis van het systeem is een must. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 11

12 2.6.6 Invloed van een grondplaat op het totale systeem van 2 printen op ontwa Er wordt nagegaan wat het effect is van het toevoegen van een grondplaat aan de printen. Dit gebeurt enkel met de positie van de configuratie waar de printen in elkaars verlengde liggen. Er wordt nagegaan wat het effect is als men slechts 1 printplaat aan een grondplaat wordt gerefereerd en wat de verbetering is als men beide printen op dezelfde plaat refereert. Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.1.4) : A401 tot A407 Het effect van niet equipotentiale vlakken wordt nog versterkt door grotere grondplaten toe te voegen. De antenne vorming wordt groter. Een enkele strip om de twee grondplaten te verbinden blijkt een verbetering teweeg te brengen maar geen maximale demping te geven. Een grondplaat waar beide printen op zijn gerefereerd geeft een grotere demping (tot 15 db). Bij het gebruik van een gezamenlijk grondplaat maakt het niet veel meer uit of de flatkabel afgeschermd is of niet. De flatkabel langs de grondplaat laten gaan geeft een lichte verbetering. De lusoppervlakte wordt zo beperkt gehouden. Indien men de massareferenties van de twee printplaten op een zelfde grondplaat refereert dan kan de terugkerende stroom van een signaal via deze grondplaat een tweede weg terug vinden. De signaaldraad en de terugkerende stroom die via de grondplaat stroom vormen samen een lus. Lussen moeten vermeden worden daar ze ideaal zijn om signalen uit te zenden en stoorsignalen op te pikken. Een tweede aspect is de differential mode die verloren gaat (zie ook paragraaf 2.5.3) De doorgaande stroom en de terugkerende stroom wekken een zelfde maar tegengesteld veld op. Indien de geleiders dicht bij elkaar liggen dan kunnen deze twee velden elkaar opheffen. Indien de signaalstroom in de flatcable ver van de terugkerende stroom vloeit is er geen opheffend effect en kunnen de twee velden elkaar zelfs versterken. ONTWERPTIP 4: Laat lange flatkabels zoveel mogelijk langs een massavlak gaan. Vermijd zoveel mogelijk de vorming van lussen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 12

13 2.7 Ontwerp B: Dit ontwerp verschilt dus van ontwerp A door zijn bredere massabanen naar de componenten. De massabanen komen nu zo kort mogelijk van de onderste massastrook. Aan de filter is er een breder massareferentiebaan (print lay-out zie bijlage 2 ontwerpb ). Bovendien ligt het kristal op een massavlak. Met deze print worden volgende invloeden bekeken: 1) Vergelijken van ontwerp A en ontwerp B. 2) Het effect van het plaatsen van een filter. 3) Invloed van de kwaliteit van referentie aan een grondplaat op 1 printplaat 4) Invloed van equipotentiale vlakken en massaplaten op het totale systeem van 2 printen. 5) Invloed van de positie van de twee printen t.o.v. elkaar Al de metingen van reeks B0XX worden in reeks B1XX nog eens herhaald met 4 ferrieten rond de voedingskabel van de printplaat Vergelijken Ontwerp B met Ontwerp A Metingen & grafieken: Zie bijlage 1: (punt 4.2.0) ontwb001 en ontwb002 vergelijken met ontwa001 en ontwa002 Ontwerp B is algemeen gezien beter dan ontwerp A. De grote pieken blijven maar het spectrum daalt gemiddeld met 15 db. Wat er dus volgde uit punt (Invloed van een beter massaconnectie van de filter) wordt hier dus bevestigd. Breder en beter gepositioneerde massaverbindingen kunnen veel problemen voorkomen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 13

14 2.7.2 Het effect van het plaatsen van een filter Dezelfde filters als bij Ontwerp A worden hier ook geplaatst om de vergelijking te kunnen maken. Er is hier maar 1 voedingsplaats meer omdat de massaconnecties toch breed genoeg zijn en er dus geen verschil meer is. De metingen: 1) Zonder filter 2) Met een ferriet filter 3) Met een ferriet- condensator filter Al de metingen van reeks B0 worden in reeks B1 nog eens herhaald met 4 ferrieten rond de voedingskabel van de printplaat Ontwerp B reeks B0 (zonder ferrieten) Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.2.0) B001 tot B005 Het plaatsen van filters geeft geen bijkomende verbetering meer. De verbetering van de massaconnecties zorgde er voor dat het deel dat de filter kon uitfilteren in het ontwerp A er al uit is. Met een optimale filter zou men er wel nog iets kunnen uitfilteren. Er zij nog andere factoren die het rendement van de filter doen dalen zoals de uitstraling van het systeem zelf. Die uitstraling kan dominant zijn en de andere verbeteringen camoufleren Ontwerp B reeks B1 (met ferrieten) Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.2.1) B101 tot B105 Ferrieten plaatsen op voedingskabels geeft een algemene verlaging van de uitstraling. De ferrieten zorgen voor de gedeeltelijk demping van de storingen die worden uitgestraald door de voedingskabel. Dit wijst er op dat de filter niet ideaal is en dus niet kan verhinderen dat de stoorsignalen op de voedingskabel komen. Dit illustreert nog eens dat er voldoende aandacht moet geschonken worden aan de keuze van de filter. Opmerking: Een uitgebreid demonstratie van het gebruik van filters kan men bijvoorbeeld vinden bij: Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 14

15 2.7.3 Invloed van de kwaliteit van de referentie aan een grondplaat op 1 printplaat De invloed van de aanwezigheid van een grondplaat en de noodzaak om deze op een voldoende manier te connecteren met de massa van de printplaat wordt hier bekeken. Metingen : 1) Een grondplaat zonder massareferentie 2) Een grondplaat met een matige massareferentie De massa van de printplaat wordt met 1 strip geleidende tape verbonden met de grondplaat. 3) Een grondplaat met goede massareferentie De massa van de printplaat wordt op vier plaatsen met een strip geleidende tape verbonden met de grondplaat. Deze metingen werden allemaal met en zonder filter uitgevoerd om het effect van een massareferentie op het rendement van de filter te zien. Al de metingen van reeks B0 worden in reeks B1 nog eens herhaald met 4 ferrieten rond de voedingskabel van de printplaat Ontwerp B reeks B0xx(zonder ferrieten) Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.2.0) B001 tot B009 Het plaatsen van een grondplaat geeft een kleine verbetering. Voor ontwerp B is er wel een kleine verbetering merkbaar als er een betere connectie gemaakt wordt. Maar er is een markante verbetering met een zeer goede massareferentie. De filter heeft hier duidelijk wel nog een extra dempend effect. Het rendement van de filter is groter dan bij ontwerpa omdat er minder andere camouflerende factoren zijn Ontwerp B reeks B1xx (met ferrieten) Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.2.1) B101 tot B109 Ook hier geven de ferrieten een grotere verbetering. Zeer opmerkelijk is de rendementstijging van de filter bij een goed gerefereerde grondplaat. Deze configuratie zorgt ervoor dat het totale systeem met de twee printen, op een piek na, de EN 55022/ klasse B norm haalt. De A norm die 10 db hoger ligt wordt wel gehaald. ONTWERPTIP 5: Refereer PCB s zoveel mogelijk op grotere massareferenties zoals metalen behuizingen. En doe dit bij voorkeur met brede massastrips op zoveel mogelijk plaatsen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 15

16 2.7.4 Invloed van equipotentiale vlakken en grondplaten op het totale systeem van 2 printen toegepast op ontwb. In deze metingen worden de invloed van massaplaten en een strip als massa verbinding op het systeem in gestrekte toestand bekeken. Metingen: 1) Gestrekt zonder grondplaat 2) Met een massastrip als equipotentiale verbinding 3) 1 printplaat met een losse grondplaat 4) 1 met een goed gerefereerde grondplaat 5) 2 printen met goed gerefereerde massaplaten 6) 2 printen met goed gerefereerde massaplaten + strip 7) 2 printen op 1 grondplaat Al de metingen van reeks B2 worden in reeks B3 nog eens herhaald met 4 ferrieten rond de voedingskabel van de printplaat Ontwerp B reeks B2xx (zonder ferrieten) Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.2.2) De combinatie tussen OntwerpB en het tweede printplaat (Ontw1) is iets beter dan de combinatie OntwerpA met het tweede printplaat. Een strip als verbinding tussen de massa van printen in combinaties met een filter geeft vooral in de frequenties boven de 120 MHz een merkelijke verbetering. Dit zowel voor het systeem zonder grondplaat, die met de niet gerefereerde grondplaat en die met de goed gerefereerd grondplaat Ontwerp B reeks B3xx (met ferrieten) Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (punt 4.2.3) De configuraties met ferrieten (reeks B1XX) hebben hetzelfde verloop als in de B2xx boven de 100 MHz. De ferrieten op de voedingskabels hebben hun nut vooral onder de 120 MHz waar er dus een merkelijke verbetering is. Daar beginnen de draden de ideale lengte te hebben om als antenne te fungeren. Boven de 120 MHz worden de dimensies van het systeem zelf, van belang. Een goede filter kan de functie van de ferrieten gedeeltelijke overnemen. BESLUIT : Algemeen gezien hebben de voedingsdraden hun invloed onder de 100 MHz en komt de invloed van de configuratie (massavlakken) boven de 100MHz tot uiting. Dit komt omdat afmetingen de lengte krijgen om een antenne te vormen voor die frequenties. Afmetingen van systemen worden dus uitermate belangrijk bij high speed toepassingen Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 16

17 2.7.5 Invloed van de positie van de twee printen t.o.v. elkaar op ontwb Hier worden de gevouwen posities (printen boven elkaar) bestudeerd: 1) Met de elektronica naar elkaar gericht 2) Met de elektronica in dezelfde richting 3) Met de elektronica van elkaar weg gericht En dit met en zonder massastrip, met en zonder grondvlak. Alle metingen zijn met de ferriet/condensator filter gemeten Ontwerp B reeks B4xx (zonder ferrieten) Metingen &grafieken : zie bijlage 1: (paragraaf 4.2.4) De configuratie met de elektronica van elkaar gericht is de beste. Dit waarschijnlijk omdat dit de configuratie is waar de elektronica maar vooral de baantjes zich het dichtst bij elkaar bevinden. De twee polen van de gevormde antenne zitten dichter bij elkaar daardoor is er minder uitstraling. Wanneer de twee onderdelen dicht bij elkaar zitten dan is er meer kans dat het veld van de ene stroom wordt opgegeven door een andere stroom. Een massastrip en massavlak geven ook in deze configuratie een beduidende verbetering boven de 120MHz Ontwerp B reeks B5xx (met ferrieten) Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.2.5) De ferrieten hebben hetzelfde effect als bij de vorige metingen. De frequenties onder de 120 MHz worden gedempt. Erboven speelt de configuratie en de eigen afmetingen van het systeem de dominante rol. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 17

18 2.8 Invloed van de voedingspanning Grafieken : zie bijlage 1: (paragraaf 4.2.6) Bij de vorige metingen kwam er een merkwaardig patroon van algemene ruis naar voren. Dat patroon bleek afhankelijk te zijn van de aangelegde voedingsspanning. Daarom werd een serie metingen gedaan met oplopende voedingsspanning. Hiervoor werd een gestrekte configuratie met het B ontwerp gekozen. De verschillende spanning werden genoteerd. De voedingspanning verschilt van deze juist na de filter en de spanning op de tweede printplaat. Het is dus van belang dat men controleert of men voor alle componenten de juiste voedingspanning heeft. Filters en andere voorzieningen kunnen een spanningsval veroorzaken en de component buiten de specificaties laten werken. Bij een te groot verbruik kan de spanning ook tijdelijk zakken indien de voorziene bron de stroom niet kan leveren. Hierbij kunnen ontkoppelcondensatoren een oplossing bieden. Plaatst men tussen de voedingsbaan en de massabaan een condensator dan kan deze als een reservoir voor energie dienen. Bij een te groot stroomverbruik kan de condensator tijdelijk het tekort aanvullen. Voedingsregulatoren kunnen hierbij een oplossing bieden. Deze roepen nog ander vragen op in verband met emissieniveaus. (zie punt 2.8.5) De ontkoppelcondensatoren kunnen hun functie van ontkoppelen, in de zin van kortsluiten van hoogfrequent signalen naar massa, niet meer vervullen. De frequenties en de flanksnelheden waarmee de huidige technologieën werken zijn al reeds zo groot dat de verbindende draden naar de condensator spoeltjes vormen. Bij de hogere frequentie komt de frequentie boven de resonantiefrequentie van het vervangschema en wordt de condensator een hoog impedante verbinding. Het hoogfrequent stoorsignaal wordt hierdoor niet meer uitgefilterd. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 18

19 2.9 Ontwerp C: Ontwerp C is een ontwerp met een massavlak. Alle massabanen zijn van het bovenvlak verwijderd. Alle componenten krijgen hun massa van dit massavlak. Er is nog altijd een massavlakje voorzien onder de klok. Dit vlakje is met zes draadverbindingen aan het grote massavlak verbonden. Voor de rest is Ontwerp C identiek aan OntwerpB. De uitgevoerde metingen: 1) Vergelijking van ontwerp C met ontwerp A en B 2) Effect van een filter 3) Effect van ferrieten op UTP (Unfoilded Twisted Pair) 4) Kwaliteit van de connectie van het scherm van een FTP kabel 5) Effect van ferrieten op FTP kabel 6) Effect van ferrieten op het netstoer van de spanningsbron Vergelijking van ontwerp C met ontwerp A en ontwerp B; Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.3.0) ontwc001 tot ontwc004 vergelijken met de vorige Ontwerp C op zich is boven de 120 MHz beter dan de vorig twee ontwerpen. Dit komt door het toevoegen van een massavlak. Onder de 120 MHz spelen de voedingskabels nog een rol en is het uitstralingpatroon praktisch hetzelfde als bij ontwerp B. Waarom is het gebruik van een massavlak beter? Bij een systeem met een massavlak is er differential mode koppeling mogelijk. Wanneer men een massavlak gebruikt dan zal de terugkeerstroom juist onder de signaalstroom lopen. Omdat de terugkeerstroom dicht bij de signaalstroom loopt wordt het door de signaalstroom opgewekt veld geneutraliseerd door het opgewekte veld van de terugkeerstroom dat tegengesteld in zin is. Gebruikt men een baantje om de terugkeerstroom te geleiden dan heb je een common mode systeem. De terugkerende stroom kan het veld niet opheffen. Bovendien is bij een differential mode systeem de lus die gevormd wordt minimaal gehouden. Bij een systeem met baantjes zal de retourstroom wel altijd een lus vormen. Zeker als men een router gebruikt is de kans reëel dat er lussen gevormd worden. ONTWERPTIP 6: Gebruik altijd een massavlak. Meer lagen ontwerp kan de kans op een redesign sterk beperken. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 19

20 2.9.2 Effect van het gebruik van een filter: Er werd enkel een ferriet/ condensator filter gebruikt. Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.3) even t.o.v. oneven nummers vergelijken Door reductie van een aantal effecten, ten gevolge van het gebruik van een massavlak, krijgt de filter een veel groter rendement. Op een paar pieken na (verklaring in punt 2.8.6) valt deze configuratie onder EN55022 /klasse B norm. Een degelijke massareferentie van een filter is dus van primordiaal belang om het maximum rendement eruit te halen Effect van ferrieten op UTP: Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.3) ontwc003 en ontwc004 De ferrieten filteren de pieken onder de 120 MHz gedeeltelijk weg. Met een filter en ferrieten zijn praktisch alle pieken weg. Enkel de piek bij 40 MHz blijft de EN 55022/ klasse B norm overschrijden (meer uitleg zie paragraaf 2.8.6) Kwaliteit van de connectie van het scherm van een FTP kabel In deze metingen wordt een FTP (Foiled Twisted Pair) kabel gebruikt om de uitstralingseigenschappen van voedingsdraden te verminderen. Het scherm wordt op verschillende manieren geconnecteerd en gerefereerd. En dit telkens met en zonder filter Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.3) ontwc005-ontwc009 De FTP- kabel geeft helemaal geen verbetering meer indien hij niet geconnecteerd of slechts een zijde van het scherm van de FTP kabel met het massavlak van de printplaat verbonden is. De tweede zijde van het scherm moet ook aan de massa van de voeding hangen. De pieken blijven zonder beide connecties. Een zijde van de FTPkabel verbinden met de printplaat zonder een filter te plaatsen maakt het uitstralingspectrum zelf slechter. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 20

21 Beide zijden connecteren kan blijkbaar een deel van de werking van de filter overnemen. Plaatst men een filter nadat het scherm goed verbonden is dan is er geen extra verbetering. In het totale systeem moet er dus nog een zwak punt zitten. Die extra pieken die niet weggewerkt zijn hebben nog een antenne waardoor ze in het gemeten spectrum voorkomen. De verklaring komt in punt ter bespreking Effect van ferrieten op de FTP- kabel. Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.3) ontwc011 en ontwc012 Door het plaatsen van ferrieten op de FTP kabel,die aan beide zijden geconnecteerd is, is er een kleine verbetering merkbaar. Ook hier blijven er enkele pieken aanwezig in het spectrum Effect van ferrieten op het netsnoer van de gestabiliseerde voeding. De ferrieten werden nu niet op de FTP kabel gezet tussen de voeding en de printplaat maar op het netsnoer van de bron. Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 54.3) ontwc013 en ontwc014 Voedingskabels Netsnoer Plaatst men een filter en ferrieten op de voedingskabels dan blijven er nog pieken zichtbaar en dit vooral bij frequenties hoger dan 120MHz. Plaatst men ook op het netsnoer ferrieten dan worden die laatste pieken sterk gereduceerd. De gestabiliseerd voeding speelt blijkbaar een rol in het geheel. Er komen stoorsignalen afkomstig van de printen op het netsnoer van de voeding. De echte oorzaak, inwendig in voeding, is niet duidelijk. In de bron zit er wel geen specifiek filter naar het net toe. Er werd een lineaire voeding zonder netfilter gebruikt die nog geen EMC voorzieningen heeft. Bronnen worden getest en gekeurd met een weerstandsbelasting maar niet met een fluctuerende stroomvraag met stroompieken. Wat de inbreng van een voeding is in de meting zal dus bron per bron te bekijken zijn. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 21

22 Open Vragen: Er blijven nog enkele vragen open die zeker de moeite lonen om dieper op in te gaan. Er is nogal wat onduidelijkheid bij het gebruik van voedingen en filters. Wat zijn goede voedingsbronnen op EMC gebied? Hoe wordt worden straks de normen t.o.v. netharmonischen ingepast? Hoe zit het met interne filters? Hoe kan ik deze voedingen en filters op een goede manier monteren? Moeten we enkel filters gebruiken op voedingen en voedingsregulatoren? Is het gebruik van gedistribueerde filters een noodzaak? Of de voeding de storing extra versterkt is een vraag die nog beantwoord moet worden. Er is een verder typisch onderzoek nodig die het bekijken waard is. Hoe de stoorsignalen op het netsnoer komen is nog onduidelijk. Een gestabiliseerde voeding heeft een zeer grote versterkingsfactor maar wat hun rejection factor t.o.v. ruis en stoorsignalen is moet nog onderzocht worden. Een tweede weg dat het stoorsignaal zou kunnen volgen is door capacitieve koppeling. Een derde oorzaak zou bij het schema van de voeding zelf kunnen liggen. Er kan door de belasting iets mislopen in de voeding zodat de normale werking van de bron verstoord wordt en er oscillaties ontstaan. Praktijkvoorbeeld: Het probleem met filters kwam naar voren bij een machine die een algemene voeding heeft met een interne filter. De voeding was slecht gemonteerd en het toestel haalde de norm niet. Monteerde men de voeding goed gerefereerd op het chassis dan haalde het toestel wel de norm. (Metingen zie bijlage 1 paragraaf 4.5.3). Filters: Bij filters rijst er nog een extra vraag. Waar plaatst men filters? Is het noodzakelijk om elke module apart te filteren of kan men een filter plaatsen voor het gehele systeem. Dit probleem werd zowel op print niveau als bij een groot systeem vastgesteld. Het systeem, een laser- snijmachine, had aangekochte modules en eigen ontworpen modules. De sturing was eigen ontwerp en had geen aparte filter. Het uitstralingsprobleem werd opgelost door op de eigen module ook een geschikte filter te plaatsen. Voedingsregulatoren : Bij een systeem op print die een eigen DC- voeding met een eenvoudige ingebouwde stabilisator heeft, bleek de voeding de oorzaak te zijn van een te hoog uitstralingspatroon. Men had maar een stroom nodig van 900 ma. De oorspronkelijke bron had een specificatie van 1 A, dat voldoende zou moeten zijn. Maar de bron voldeed niet. De bron kan piekstromen niet aan en daardoor krijgt men een werking buiten de specificaties met een verhoogde uitstraling tot gevolg. Een zelfde voeding maar met een stroomspecificatie van 3 A loste het probleem op. Er is geen stroomtekort meer en alle componenten kunnen binnen de specificaties werken. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 22

23 2.10 Ontwerp D: Ontwerp D heeft een massastrook rond de klok die als afscherming naar de signaalbanen moet dienen. Door deze massastrook kan men de klok plaatselijk afschermen met geleidende tape. De uitgevoerde metingen: 1) Vergelijking tussen het ontwerp D (ontwd) en de andere ontwerpen 2) Effect van verschil van de plaats van de ferrieten met een UTP 3) Effect van een grondplaat (kwaliteit van verbinden) 4) Effect van UTP 5) Effect van het plaatselijkafgeschermen van de klok 6) Antennewerking van draden aan de het massavlak 7) Antennewerking van klok -distributiebanen 8) Connectiekwaliteit van een afgeschermde kabel Vergelijking tussen het D ontwerp en de andere onderwerpen Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.1) D001 tot D003 Vergelijken met vorige reeksen (A00X, B00X, C00X) Uit de metingen blijkt dat ontwerp D iets slechter is dan ontwerp C, maar toch vergelijkbaar blijft met ontwerp C. Daarom werden er geen metingen gedaan op verbeteringen van de printplaat. Maar er werd meer gekeken naar de invloeden van bepaalde ingrepen zoals: plaats van de ferrieten, effecten van draden aan het massavlak, verlengen van klokbanen, Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 23

24 Effect van verschil van de plaats van de ferrieten met een UTP Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.0) D004 tot D007 Het effect van het verplaatsen van de ferrieten is hier niet zo duidelijk als bij het gebruik van een FTP kabel. ( zie ontwerp C (2.8.6)). Bij de FTP kabel zorgt het scherm ervoor dat de voedingsdraden van het systeem naar de labo- voeding geen uitstralingsbronnen meer zijn. Het grootste gedeelte van de uitstraling die daar nog aanwezig is komt van het systeem zelf en van de geschakelde voeding met zijn netsnoer. Bij de UTP is er dus geen scherm meer om de uitstraling te beperken. De ferrieten die op de kabels worden geplaatst kunnen niet alle uistraling verhinderen. Doordat de uitstraling van de voedingsdraden nog te groot is wordt de vermindering in uitstraling, die men normaal krijgt als met ferrieten op het netsnoer van de geschakelde voeding plaatst, gemaskeerd. Plaatst men een filter dan is de verbetering door de ferrieten te plaatsen op het netsnoer wel zichtbaar omdat hier de uitstraling ten gevolge van de voedingsdraden al gereduceerd is. BESLUIT : Er is dus wel degelijk een doorkoppeling van de storingen door de voedingsbron. De waarnemingen van punt worden hier opnieuw verkregen. Netsnoer Voedingskabels Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 24

25 Effect van het plaatsen van een grondplaat (kwaliteit van de connectie) Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.0) D004 tot D012 Hier blijkt dus ook dat een matige connectie van het massavlak met de grondplaat niet zoveel verbetering teweegbrengt. Enkel een goed gerefereerde massa aan het grondvlak kan de uitstraling verminderen. Ook voor de werking van de filter is een goede massareferentie van belang Effect van het plaatselijke afschermen van de klok Metingen & grafieken: zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.0) D013 en D017 Het extra afschermen van de klok heeft geen spectaculaire verbeteringen. Dit komt omdat het kloksignaal naar buiten wordt gebracht om het verder te kunnen verdelen naar de componenten toe. In punt wordt aangetoond dat als met het klokdistributie baantje verlengt de uitstraling sterk toeneemt. De schakeling die de klok vormt straalt dus op zich niet of nauwelijks uit en lokaal afschermen heeft in deze opstelling niet zo veel zin. Een klok met eigen behuizing kan wel verbetering brengen. Een massavlak onder de klok is onontbeerlijk om de uitstraling van klok signalen te kunnen onderdrukken zeker bij high speed toepassingen. Bij high speed toepassingen vormt de klokdistributie een groot probleem. Een massavlak is zeker nodig. Er rijzen vragen bij het gebruik van kloksignalen gegenereerd door PLL schakelingen. PLL schakelingen blijken mogelijk een bron van storingen te zijn. PLL schakelingen kunnen als aparte systemen aanzien worden en vraag is of de voeding van deze systemen niet de oorzaak is van de storingen en niet de schakeling op zich. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 25

26 Antennewerking van draden aan het massavlak Aan verschillende punten op de massa wordt er een draad gehangen van ± 40 cm. Deze moet dienen als antenne om eventuele storingen die op het vlak aanwezig zijn een uitstralingsantenne te geven. Zo kan men via het uitstralingspatroon punten ontdekken in het massavlak die een slechter uitstralingspatroon geven dan andere punten. Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.1) Draden001 en Draden008 Door een draad aan de GND klem van de component die de klok vormt te bevestigen, wordt er een maximale uitstraling verkregen. Er zit dus weldegelijk een vervuilend signaal op de GND klem en bijgevolg op het massavlak. Bij de punten op het massavlak onder de printplaat is er ook een vermeerdering van de uitstraling maar minder dan bij de draad rechtstreeks aan de massapin. Wordt er een lange massabaan gebruikt i.p.v. een massavlak dan vormt deze baan een uitstralingsantenne voor het vervuild signaal. Opmerkelijk is dat in een verre uithoek van het massavlak er meer uitstraling is dan op de andere punten. Boven de hoek loopt de Vcc baan wat de verklaring zou kunnen zijn. De retourstroom heeft namelijk de neiging om onder het pad van de signaalstroom te vloeien. Praktijkvoorbeeld : Praktijkvoorbeeld 1: Dit probleem kwam in de praktijk voor bij een bepaald systeem. Dat systeem bestond uit een hoofdeenheid, een besturingseenheid en een uitleeseenheid met een display. (Zie Bijlage 1 pagraaf 4.5.0). Verbindt men de afschermingvan de FTP kabels, die de verschillende eenheden met de hoofdeenheid verbindt, onvoldoende of niet dan haalt men de norm voor uitstraling niet. Maakt men een zorgvuldige verbinding dan haalt men de norm wel. De afscherming van de FTP kabel zorgt naast zijn afschermende functie ook voor het beter equipotentiaal maken van de verschillende systemen. Het scherm wordt namelijk afgelegd aan de massareferentie van de verschillende eenheden. De display gaf nog een extra probleem. Om de uitstraling onder de norm te krijgen moest de print met de stuurelektronica en de behuizing van de display zelf equipotentiaal verbonden worden met een brede massaverbinding. Het toestel haalt uiteindelijk in quasi peak de norm. Metingen zie bijlage 1 paragraaf Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 26

27 Sturing voor stappenmoter: Dit systeem bestaat uit een sturing en een stappenmotor. De twee onderdelen zijn met een afgeschermde kabel met elkaar verbonden. Het probleem lag hier ook bij de manier van afleggen van het scherm. Het scherm van de kabel was wel verbonden met de behuizingen van de sturing en de stapenmotor maar op een onzorgvuldige manier. De verbinding tussen het scherm van de FTP-kabel en de behuizing en werd korter en breder gemaakt. Na deze verbetering haalde het systeem de norm in quasi peak. metingen zie bijlage 1 paragraaf Antennewerking van klokdistributiebanen Bij deze opstelling wordt het effect van de verlenging van de klokbaan bestudeerd door een draad van ± 40 cm aan de klokbaan te leggen. Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.2) Draden101 tot Draden107 Een verlenging van de klokbaan geeft het te verwachten negatief effect. De draad werkt zo goed als antenne dat de meting 100 dbµv/m haalt. In de praktijk moet men goed opletten met verlenging van de klokbanen. Dit komt bijvoorbeeld voor als men extra controlebanen of banen voor eventuele uitbreidingen heeft aangebracht. Deze banen blijven open en kunnen de klokbaan of een andere snelle signaalbaan verlengen en de uitstraling verhogen. Vb : Er wordt een connector voorzien om een uitbreidingsmodule te kunnen bij te plaatsen. Indien de klant deze optie niet wenst blijft de connector open maar komen er soms wel klok signalen op de pinnen en de baantjes er naar toe ONTWERPTIP 7: Vermijd verlengingen van klokbanen en andere snelle databanen. Vermijd ook banen in de buurt van snelle klokdistributiebanen Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 27

28 Connectiekwaliteit van een afgeschermde kabel Aansluitend op de meting van het vorige punt wordt ook nog de noodzaak van een goede verbinding van de afscherming van een kabel aan de massa van het systeem bekeken. Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (paragraaf 4.4.2) Draden105 tot Draden107 Een afgeschermde kabel zonder goede connectie geeft geen enkele zin. Men moet een voldoende brede connectie naar het grondvlak hebben. Een draad verbinding is wel een goede verbinding voor de veiligheidsvoorzieningen. Diezelfde verbinding wordt voor hoogfrequent een hoog impedante verbinding zodat de stroom die er vloeit een spanningsverschil opwekt die op zijn beurt een elektrisch veld creëert. Een draadverbinding kan voldoende zijn als die verbinding zo kort mogelijk gehouden wordt en geen lussen vormt. Maakt men een langere verbinding en zeker als er een lus inzit (Pig-Tail) heeft deze verbinding geen zin en zal het uitstralingspatroon slechter worden. In de laatste meting van de reeks (draden107) wordt een draad verbinding gemaakt om aan te tonen dat het scherm dan totaal geen nut meer heeft. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 28

29 2.11 Invloed van een massavlak op PCB 2 In punt werd een grondplaat toegevoegd aan het systeem. Om de invloed van een massavlak op PCB 2 te onderzoeken werd nu een nieuw ontwerp gemaakt met een massavlak reeds op de print. De configuratie zonder massavlak wordt vergeleken met deze met een massavlak. Door het systeem in te pakken in een afschermend materiaal wordt nagegaan wat de bijdrage in uitstraling is van het systeem zelf en wat afkomstig is van voeding en voedingsdraden. Opm: Er werd nergens een filter gebruikt. Er zitten dus nog pieken in die kunnen worden weggewerkt. Metingen & grafieken : zie bijlage 1: (paragraaf en 4.4.4) VER0xx en VER1xx Vergelijkt men in het algemeen het oude, zonder massavlak, met het nieuwe ontwerp, met een massavlak, dan kan men zien dat het nieuwe ontwerp met massavlak altijd beter is dan dat zonder massavlak. Heeft men een massavlak dan kan men ook veel gemakkelijker een brede equipotentiale verbinding maken. Worden de twee printen op een gemeenschappelijke plaat gerefereerd dan ziet men dat het systeem rustig wordt. De overgebleven pieken zijn maar gedeeltelijk te wijten aan het systeem. Indien er een filter zou geplaatst zijn zouden deze pieken kleiner worden. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 29

30 2.12 Invloed van de afstand tussen de printen in gevouwen configuratie Hoogte wordt gevarieerd In deze metingen werd de afstand tussen de printen gevarieerd van 3 cm over 5 en 10cm naar 20cm. De elektronica staat in dezelfde richting zoals het is in de meeste modulaire systemen. Dit werd zowel voor ontwerp B als voor ontwerp D gedaan. De tweede printplaat (PCB2) is altijd het ontwerp met een massavlak. Deze configuraties wordt ook bekeken in de NEC simulaties. Metingen & Grafieken : zie bijlage 1 (paragraaf 5.4.6) FCB0xx en FCD0xx Loopt de afstand tussen de printen op van 3 cm tot 10 cm dan is er telkens een lichte toename van de uitstraling, Gemiddeld 5 à 10 db. Bij de overgang van 10cm tot 20cm is er geen merkbaar verschil meer te detecteren. Flatcables met kloklijnen en andere datalijnen op hoge snelheden kunnen gemakkelijk lussen vormen via de massa van de behuizing. Dit moet zoveel mogelijk vermeden worden door de flatcable- verbindingen zo kort mogelijk te maken. Bij NEC zijn er geen echte verschillen. (zie paragraaf 4.2.3) ONTWERPTIP 8: Beperk zoveel mogelijk de afstand tussen printen die communiceren met elkaar. Refereer ze bij voorkeur op een zelfde grondplaat Hou flatcables zo kort mogelijk. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 30

31 2.13 De invloed van een andere technologie Om de invloed te bepalen van de technologie werden de vorige ontwerpen, gemaakt met TTL technologie, ook met HC technologie gemaakt. HC technologie heeft snellere flanken en dit resulteert in een groter RF energie inhoud in het spectrum. Deze verhoging kan men theoretisch bereken via de Fourier transformatie. (Hiervan wordt ook gebruikgemaakt in de NEC simulaties om een idee te krijgen over het verband tussen simulatie en de werkelijke uitstraling). Er werden twee ontwerpen gemaakt. Een met (OntwD) en een zonder een massavlak (OntwB). Er werden een beperkt aantal metingen uitgevoerd op de twee nieuwe ontwerpen om een idee te kunnen vormen over de invloed van het gebruik een nieuwe technologie. Metingen & grafieken : zie bijlage 1 (paragraaf4.4.6) HCB0xx en HCD0xx vergelijken met OntwB0xx en OntwD0xx De klokpieken zijn algemeen gezien groter (10 à 15 db). Vergelijkt men HCB005 met OntwB009 dan ziet men dat vooral boven de 100 MHz meer pieken bijkomen Dit was te verwachten, want HC componenten hebben een grotere flanksnelheid. Deze trend wordt verder bestudeerd met NEC in hoofdstuk 2. De resultaten van simulaties kunnen de metingen bevestigen. Uit de metingen blijkt voor de HC technologie het gebruik van een filter en een massavlak nog van een groter belang te zijn dan voor de TTL technologie. ONTWERPTIP 9: Gebruik zoveel als mogelijk die technologie met de laagste flanksnelheid om de spectrale inhoud te beperken. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 31

32 2.14 Wat is de invloed van een rack systeem Front plaat Slot Bij systemen in een rack waarbij twee printen met een flatkabel verbonden moeten worden rijzen er enkele vragen: - Doet men er goed aan een massavlak tussen de printen te plaatsen? - Mag of moet men het fontpaneeltje aan deze tussenplaat bevestigen? - Hoe en waar moet de flatcable geïntegreerd worden? Om dit uit zoeken werd er een T stuk gemaakt met een slot in het tussenvlak. Zo wordt mogelijkheid gecreëerd om een systeem met twee printen te creëren waarbij men de flatcable doorheen het slot kan laten gaan. Metingen & Grafieken : zie bijlage 1 (paragraaf4.5.5) Tstru 014 Tstru 017 Een frontplaat die niet geconnecteerd is met de plaat tussen de printen heeft in dit systeem niet veel invloed (contw014 contw015). In een reëel rack systeem kan een frontpaneel wel zorgen voor enige afscherming naar buiten toe. Wordt er een werkelijke T- structuur gebruikt, waar het frontpaneel wel verbonden is met de tussenplaat, en wordt de flatcable door het voorziene slot geleid dan is er een verbetering merkbaar, het spectrum wordt algemeen rustiger(gemiddeld 10dB). Dus is het wel aan te raden de flatcable op deze wijze te monteren. Deze wijze van monteren heeft het voordeel dat de flatcable zeer dicht bij massa ligt en dat de uitstraling daardoor beperkt wordt. Om dit te illustreren kan men Tstru016 vergelijken met Tstru017 waar de flatcable langs de andere kant gepositioneerd is en zodoende zich ver van de massa verwijderd is. Men krijgt terug een toename van de uitstraling. De configuratie met de flatcable door het slot heeft ook het voordeel dat de flatcable minder de kans krijgt om een lus te maken. De lus -vorming van flatcable en retourstroom door de massa is op deze manier tot een minimum beperkt. Hierdoor kunnen stoorsignalen van het inwendige van het systeem minder op deze sub - eenheid in gekoppeld worden en ook de sub -eenheid kan minder stoorsignalen koppelen in het inwendige van het totale systeem Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 32

33 2.15 Wat gebeurt er in de hogere frequenties Metingen & Grafieken : zie bijlage 1 (paragraaf4.4.6) HCB0xx en HCE0xx Met deze metingen wordt getoond wat er tussen de 200 MHz en de 1000 MHz gebeurt. Voor de hogere frequenties zal er nog veel meer aandacht moeten besteed worden aan het equipotentiaal maken van systemen. Bij hogere frequenties gaan de dimensies van het systeem een veel grotere rol spelen. Afstanden op printen worden in de grootteorde van halve golflengtes. De afmetingen van systemen worden dus groot genoeg om antennes te vormen voor die signalen met een hogere frequenties. Vroeger hoefde men geen rekening te houden met deze gevolgen omdat die frequenties niet gegenereerd werden. Met de stijgende klokfrequenties en de steeds snellere flanken van systemen komt men met de spectruminhoud wel al aan voldoende niveau om een storingsbron te vormen. In de metingen ziet men tussen 220 MHz en 350 MHz een band onstaat waar het spectrum weer onrustig wordt. Dit verschijnsel is onafhankelijk van de technologie en men kan dus concluderen dat de geometrie van het systeem een rol gaat spelen. Deze pieken blijken niet meer weg te werken door met strips de twee printplaten equipotentiaal te maken. Monteert men het systeem echter op een gemeenschappelijke metalen structuur dan kunnen de pieken wel weggewerkt worden. Het dunne laagje dat de massa vormt van een PCB is niet meer voldoende om als gemeenschappelijke massareferentie te kunnen dienen. Een extra metalen structuur als massareferentie wordt onontbeerlijk. BESLUIT: In de toekomst zal het steeds moeilijker worden en zal er steeds meer aandacht moeten worden besteed aan het ontwerp naar EMC toe om de normen te halen. De steeds evoluerende technologie maakt dat het EMC aspect in de toekomst een zeer groot aandachtspunt wordt in het ontwerp van printplaten en de keuze van componenten. Met het hoger perfomant worden van componenten en deelsystemen worden vooral de stijgende flanksnelheden een groot probleem. De hogere frequentieinhoud van signalen zorgt ervoor dat structuren sneller oorzaak worden van een verhoogde uitstraling. Het equipotentiaal maken van de verschillende onderdelen en een voldoende groot massa referentievlak zijn absoluut noodzakelijke onderdelen van een goed ontwerp. Betere massareferentie zorgen voor minder uitstralingsmogelijkheden en een beter rendement van filters. Met een doordacht ontwerp kan men redesign tot een minimum beperken en veel tijd en geld uitsparen. Een zorgvuldig ontwerp maakt het mogelijk om van boven de A norm naar onder de B de norm te komen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 33

34 2.16 Samenvattende ontwerptips: ONTWERPTIP 1: Besteed voldoende aandacht aan het zoeken van een geschikte filter. ONTWERPTIP 2: Maak massabanen naar de filter voldoende breed (best is een massavlak) zodat er een zo groot mogelijk rendement uit de filter gehaald worden. ONTWERPTIP 3: Zorg voor goede brede massaverbindingen tussen verschilde PCB s zodat ook voor hoogfrequent signalen op het massa niveau geen potentiaalverschillen zijn. Een goede referentie van alle massavlakken aan het chassis van het systeem is een must. ONTWERPTIP 4: Laat lange flatkabels indien mogelijk zoveel mogelijk langs een massavlak gaan. Vermijd zoveel mogelijk de vorming van lussen. ONTWERPTIP 5: Refereer PCB s zoveel mogelijk op groter massareferenties. En doe dit bij voorkeur met brede massastrips op zoveel mogelijk plaatsen. Dit vergemakkelijkt ook het equipotentiaal maken van verschillende systemen. ONTWERPTIP 6: Gebruik altijd een massavlak. Meer lagen ontwerp kan de kans op een redesign sterk beperken. ONTWERPTIP 7 : Vermijd verlengingen van klokbanen en andere snelle databanen. Vermijd ook banen in de buurt van snelle klokdristibutiebanen ONTWERPTIP 8 : Beperk zoveel mogelijk de afstand tussen twee printen die communiceren met elkaar. Refereer ze bij voorkeur op eenzelfde grondplaat. Hou flatcables zo kort mogelijk. ONTWERPTIP 9 : Gebruik zoveel als mogelijk die technologie met de laagste flanksnelheid om de spectrale inhoud te beperken. ONTWERPTIP 10 : Denk EMC tijdens het design en wacht niet tot een redesign zich opdringt. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 34

35 3 NEC- Simulaties : 3.1 Inleiding De NEC simulatie zijn geen simulaties van de fysische schakelingen van de in het vorig punt besproken metingen. Met de NEC simulaties wordt de geometrie van massavlakken gesimuleerd met behulp van een dradenmodel. Een sluitende voorspelling van hoeveel een schakeling zal uitstralen is dus niet mogelijk met NEC. Er worden verschillende ruimtelijke configuraties bekeken. Ze bestaan telkens uit twee vlakken die met twee draden verbonden zijn. Er worden configuraties bekeken met en zonder grondvlak, met of zonder extra connecties aan het grondvlak. Zowel in gestrekte als in gevouwen toestand. (Figuren zie Bijlage 2 punt 6). Deze verschillende posities van de printen tegenover elkaar geven een verschillend uitstralingspatroon. Als men toch de posities van printen in een ontwerp kan kiezen dan kan men beter voor die configuratie kiezen die de minste antennewerking geeft. De vlakken vormen een rooster met een lengte van 16 cm en een breedte van 10 cm. Zowel in de lengte als in de breedte liggen er elf draden. In de lengte zijn de segmenten 1.6 cm lang en in de breedte zijn de segmenten 1 cm lang. De twee paneeltjes worden met elkaar verbonden met twee draden van elk 5 cm. Er werd voor een bepaalde raster gekozen. Een ander rasterdichtheid en andere draaddiktes geven een iets ander stralingspatroon maar de trend blijft gelijk. Bij elke simulatie wordt het elektrisch veld in het Theta- en het Phi- vlak berekend op een afstand van 3 meter, de afstand waarop de antenne staat bij de metingen in de kooi. Zowel de Theta (Eφ) - als de Phi (Eϕ) component. Meestal wordt de Phi component niet vermeld omdat hij verwaarloosbaar klein is t.o.v. de Theta component. De simulatie geeft de elektrische veldsterkte in functie van de ruimtelijke hoek in een polair diagram. Elke configuratie wordt gesimuleerd bij meerdere frequenties van 20 MHz tot 200 MHz (soms 1GHz), elk in een 360 graden vlak. Van elk van deze frequentie wordt de maximum Figuur4-1 veldsterkte genomen en op een nieuwe grafiek uitgezet zodat er een grafiek onstaat met die maximum uitstraling in functie van de frequentie. Alle resultaten van de simulaties zijn gegeven in de bijlagen. De gebruikte eenheid van de grafieken staat in mv/m tenzij anders vermeld. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 35

36 Opmerkingen : - De bron is telkens 1 cm lang en bevindt zich tussen een groot vlak en een kleiner vlakje (fig ) of tussen een groot vlak en het grondvlak. De bron zendt op iedere frequentie een signaal van 1V uit. Dit wordt later gecorreleerd aan het werkelijk spectrum. In werkelijkheid hebben de signalen een amplitude van 5V i.p.v. 1V en moet er rekening gehouden worden met de frequentieinhoud van het signaal. Elke frequentie heeft een ander vermogen inhoud. - Wat er in deze studie wordt gesimuleerd is niet een werkelijke situatie. Hier worden geen componenten, baantjes, enz. in rekening gebracht. Hier wordt enkel een massavlak configuratie gesimuleerd, dus enkel een soort ground bounce. - De manier waarop de grafieken worden opgebouwd kent een analogie met de werkwijze waarop volgens de norm het elektrisch veld moet worden opgemeten. Bij metingen moet men de antenne in alle richtingen laten draaien en van de gemeten veldsterktes enkel de maximum veldsterkte nemen. En dit voor alle frequenties. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 36

37 3.2 Gestrekte configuraties Gestrekt zonder grondvlak Figuur Deze configuratie heeft geen referentie op een werkelijke grond. De bron is zwevend gepositioneerd tussen het groter vlak, die de print moet simuleren, en een klein vlakje dat bestaat uit een rechthoekje met zijden van 1 segment groot. Deze configuratie kan moeilijk vergeleken worden met de configuraties met een grondvlak. Deze zwevende configuratie zonder referentie aan de werkelijke aarde komt niet veel voor in de realiteit. Wat er enigszins mee overeenkomt zijn opstellingen met een plastieken behuizing waarvan de printen op een zwevende potentiaal staan. De simulatie worden toch gegeven voor de volledigheid en om te kunnen vergelijken met de gevouwen configuratie (zie 3.3.1). Resultaat : Necsimulatie Electric Field : Theta en Phi Component Printjes naast elkaar zonder grondvlak De grafieken zijn ook te vinden in Bijlage 3 De resultaten van deze configuratie is in grootte orde 100 maal kleiner is dan deze met een grondvlak. Zoals hierboven al vermeld mag men hieruit niet besluiten dat een Eectric Field (mv/m) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,005 0,021 0,047 0,086 0,140 0,211 0,306 0,432 0,602 0,839 9,68E-03 1,38E-02 1,88E-02 2,46E-02 3,12E-02 3,87E Frequentie (MHz) Theta Vlak [Theta Component] Theta Vlak [Phi Component] configuratie zonder grondvlak beter is. De bron is van heel andere aard dan bij simulaties met een grondvlak. Gebruikt men een grondvlak dan wordt de bron gerefereerd op een 0 niveau. Dit nul niveau staat op een groot oppervlakte. Gebruikt men geen grondvlak dan staan beide uiteinden van bron zwevend opgesteld. Het referentievlakje is hier veel kleiner. Wat men hier ziet is dat de excitatie zelf (uitstraling van het kleine draadje die de bron vormt) de NEC resultaten niet beïnvloeden dus zien we wel een uitsraling van een groter niveau dan is dit volledig het gevolg van de structuur. De Phi component is kleiner dan de Theta component voor het Theta vlak. In het Phi vlak is de Phi component het grootst. Bij de configuraties met grondvlak is er geen of een verwaarloosbaar kleine Phi component. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 37

38 3.2.2 Gestrekt met grondvlak In de gestrekte configuraties zijn er drie verschillende manieren van verbinden met het grondvlak. 1) In de eerste simulatie zijn er geen ander connecties naar het grondvlak buiten de bron die tussen het grondvlak en de eerste print is gepositioneerd. 2) In de tweede configuratie is de eerst print op vier plaatsen supplementair verbonden met het grondvlak Figuur ) In de derde configuratie zijn beide printen elk op 4 plaatsen verbonden met het grondvlak. Resultaten : De grafieken zijn groter weergegeven in bijlage 3 Necsimulatie Electric Field : Theta Vlak Printjes naast elkaar met grondvlak Necsimulatie Electic Field : Phi Vlak Printjes naast elkaar met grondvlak , ,081 46,518 73,804 57,538 Eectric Field (mv/m) Eectric Field (mv/m) ,1 0, , ,1729 0,2533 0, ,8368 0, , ,6508 0, , ,518 1,491 0,7626 2,3565 1,0354 3,6842 1,4235 6,0093 1, ,572 2, ,691 3, , Frequentie (MHz) 0, Frequentie (MHz) zonder connectie 1 printje geconnecteerd beide printen verbonden zonder connectie 1 print geconnecteerd beide printen geconnecteerd In de grafieken hierboven blijven de configuraties met een connectie aan het grondvlak een decade onder deze zonder connectie. De configuratie met beide paneeltjes verbonden aan het grondvlak krijgt een voordeel vanaf 60 MHz. Er is dus een bevestiging van de metingen in de kooi (zie paragraaf ) Een goede equipotentiale verbinding kan de uitstralingsmogelijkheden van een systeem sterk reduceren. Opm : Men ziet een resonantie bij het eerste ontwerp bij 160Mhz. In de tweede configuratie komt die resonantie voor bij 200Mhz. Na de 200 MHz blijft de grafiek niet stijgen maar zakt hij weer naar ongeveer het niveau voor de resonantie. (zie punt 3.4) Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 38

39 Vergelijking tussen simulatie en metingen In de simulaties wordt een signaal van 1 Volt uitgezonden bij alle frequenties. Uit de bekomen grafieken kan men de frequenties aflezen waarvoor de constructie een goede antenne vormt. In werkelijkheid gebruikt men een kloksignaal met een bepaalde frequentie (hier 20MHz). De andere frequenties die men waarneemt in een gemeten spectrum zijn het gevolg van de harmonischen van de blokgolf. Rekenwijze : Om een vlotte vergelijking te kunnen maken tussen de simulatie en de metingen moeten volgende omrekeningen gemaakt worden. - Het werkelijk kloksignaal heeft ongeveer een grondgolf met een amplitude van 4 Volt en het spectrum in de meetkooi staat in dbµv. Dus moeten de waarden van de simulaties, berekend met 1 Volt, eerst met 4000 vermenigvuldigen worden.( Maal 4 om van 1 Volt naar 4 Volt te gaan Maal 1000 om van mvolt naar µvolt te gaan) Rekenvoorbeeld : bij 100 MHz configuratie zonder grondvlak Simulatie : mv/m wordt dus µv/m - Vervolgens moet de amplitude van het signaal aangepast worden aan zijn bijdrage in de spectrale inhoud van de blokgolf. Dit is technologie afhankelijk. (zie paragraaf 4.3) Daarvoor is een omzetting naar dbµv nodig om gemakkelijke de aftrekking te kunnen maken tussen het gesimuleerde signaal en de omhullende van de spectrale inhoud van een blokgolf. Rekenvoorbeeld : 20 * log (42068) = dbµv - Hier wordt als voorbeeld gewerkt met een signaal van 20MHz en een flanksnelheid van 1ns wat ongeveer de flanksnelheid moet zijn van de TTLtechnologie die gebruikt werd bij de proefschakelingen. (Spectrum zie figuur ). Voor 100 MHz bedraagt de correctie dbµv dus bekomt men een gecorrigeerd signaal van 73 dbµv (=92 19). Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 39

40 Resultaat : De gecorrigeerde grafieken van geven volgend resultaat. Hier wordt enkel het theta vlak weergegeven. Het Phi vlak geeft ongeveer dezelfde grafiek. 120 Necsimulatie Electric Field : Aangepaste simulatie Vergelijking tusssen simulatie en metingen in de kooi Electric Field (dbµv/m) Frequentie (MHz) zonder connectie 1 print geconnecteerd beide printen geconnecteerd Men kan de simulaties vergelijken met de metingen uit de kooi. Bij 100 MHz wordt voor de simulaties een niveau van 73 dbµv bereikt voor de configuratie zonder connectie en 50 dbµv voor de configuratie met beide printen geconnecteerd. De metingen VER001 en VER005 (bijlage 1) komen met deze twee simulaties overeen. De metingen gaven respectievelijk een niveau van 75 dbµv en 55 dbµv bij 100MHz. Verder kan men zowel in de metingen als in de simulaties de stijgende lijn weervinden. Ook de minder uitgesproken stijging voor de configuratie met beide printen goed aan massa verbonden kan men ook weervinden. Ook bij de vergelijking tussen de metingen B202 en B213 en tussen B302 en B313 is er een zelfde daling van 20 db tussen de configuratie zonder en met en grondplaat. VER001 en VER005 zie bijlage 1 paragraaf B202, B213, B302 en B313 zie bijlage 1 paragraaf en Opmerking : Deze simulaties kunnen niet als absolute voorspellingen dienen. Ze geven enkel een idee van de mogelijkheid die de massavlak configuratie van een systeem heeft om uit te stralen. De werkelijke uitstraling hangt nog van een resem ander zaken af zoals de aard van de stoorbronnen die aanwezig zijn op de print, werking en plaatsing van componenten en hun onderlinge verbindingen Met NEC kunnen er wel relatieve vergelijkingen tussen configuraties gemaakt en trends in het spectrum bekeken worden. Zie opmerkingen in de inleiding (par. 3.1) Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 40

41 3.3 Gevouwen configuraties Gevouwen zonder grondvlak Deze configuratie heeft, net als de gestrekte configuratie (zie 3.2.1), geen referentie op een werkelijke grond. Deze configuratie moet dus ook afzonderlijk bekeken los van deze met een echte grondvlakreferentie. Wel kan de gestrekte configuratie uit punt vergeleken met deze gevouwen configuratie. Figuur De grafieken zijn te vinden in Bijlage 3 In het Phi- vlak is de Phi component groter dan de Theta component zoals bij de gestrekte configuratie. Resultaten : Vergelijking gestrekte - t.o.v. gevouwen configuratie Necsimulatie Electric Field : Theta vlak Paneeljes boven elkaar zonder grondvlak Necsimulatie Electric Field : Phi vlak Paneeljes boven elkaar zonder grondvlak E E Eectric Field (mv/m) 6.02E E E E E E E E E E E E E E E E E E E Frequentie (MHz) GEVOUWEN :Theta vlak : theta component GESTREKT : Theta vlak : theta comonetent Eectric Field (mv/m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E Frequentie (MHz) GEVOUWEN : Phi vlak : theta component GEVOUWEN :Phi vlak : Phi component GESTREKT : Phi vlak : Theta componen GESTREKT : Phi vlak : PHI componen In het Theta vlak is de Theta component van de gestrekte configuratie hoger dan die van de gevouwen. De Phi componenten zijn ongeveer gelijk en kleiner dan de Thetacomponent. In het Phi vlak is de Phi component van de gestrekt configuratie het hoogst. Zonder grondvlak is de gevouwen configuratie diegene die minder de neiging heeft om uit te stralen. Bij de metingen werd ook vastgesteld dat gevouwen beter is dan gestrekt. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 41

42 3.3.2 Invloed van de afstand tussen de printen In deze paragraaf wordt de afstand tussen de paneeltjes gevarieerd. Om het aantal simulaties te beperken werd er enkel het elektrisch veld in het Theta vlak berekent. De afstanden: 3cm, 5 cm, 10 cm en 20 cm Figuur Resultaten: Necsimulatie Electric Field: Veschilende hoogtes tussen de plaatjes Eectric Field (mv/m) Frequentie (MHz) 3 cm 5 cm 10 cm 20 cm Over het algemeen hebben de grafieken hetzelfde niveau. Enkel de resonantie pieken veranderen. Opmerkelijk is wel dat ze afnemen met toenemende afstand. Bij de metingen (FCB bijlage 1 paragraaf 4.4.5) wordt de uitstraling groter met toenemende afstand (tussen3cm en 10cm). De verklaring moet waarschijnlijk te zoeken zijn in de rol van de verbindingsdraden. Bij de werkelijke metingen speelt de flatcable een grotere rol dan de uitstraling van de printen op zich. Die flatcable kan hier niet in rekening gebracht worden. NEC is daarvoor niet zo geschikt. De positie en grote van de resonantiepieken in de simulatie zijn grotendeels afhankelijk van de afstand van de twee paneeltjes tegenover het grondvlak. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 42

43 3.4 Invloed van de technologie Een nieuwe, snellere technologie heeft een grotere flanksnelheid. Dit heeft invloed op de spectrale inhoud van de signalen en dus ook op het uitstralingsspectrum. In de simulaties is er altijd een bron verondersteld van 1 V voor alle frequenties. In werkelijkheid werd er gebruikt gemaakt van een kloksignaal van 20 MHz en zijn de andere frequenties die men waarneemt een gevolg van de harmonischen van de blokgolf. Een blokgolf met een frequentie van 20 MHz en een stijgtijd en daaltijd van 10 ns heeft een spectrum met een onmiddellijke daling van 40 db per decade vanaf 20 MHz. Figuur : Fourrier Analysis van een 20MHz blokgolf rise en fall time 10 ns Met een stijgtijd en daaltijd van 1ns krijgt men eerst een daling van 20dB per decade en pas vanaf 310 MHz een daling van 40 db per decade. Figuur : Fourrier Analysis van een 20MHz blokgolf stijgtijd en daaltijd 1ns Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 43

44 Om een beter beeld te krijgen van de relatie tussen de metingen en de simulaties moet er dus met dezelfde verzwakking gewerkt worden i.p.v. voor elke frequentie 1V te nemen. In paragraaf wordt een werkelijk signaal verondersteld met een een amplitude van 4V voor de grondfrequentie (20MHz). Deze simulaties lopen tot 1000Mhz omdat deze omrekening maar in de hogere frequenties een invloed heeft. De resonantie pieken die daar voorkomen worden afgevlakt naar een niveau dat meer overeenkomt met de niveaus in werkelijke metingen en komen dan in de grootte orde van deze van rond de 200 MHz. De grafiek kent dan op een paar resonanties na een vlak verloop. Als voorbeeld: de simulatie van de gestrekte configuraties met grondvlak (voor 1 ns). Necsimulatie Electric Field : Niet gecorrigeerd grafieken Electric Field (dbµv) Frequentie (MHz) zonder connectie niet gecorrigeed 1 print geconnecteerd niet gecorigeerd beide printen geconnecteerd niet gecorrigeerd Necsimulatie Electric Field : Gecorrigeerde grafieken (1ns) Electric Field (dbµv) Frequentie (MHz) zonder connectie 1 print geconnecteerd beide printen geconnecteerd Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 44

45 Over heel het spectrum wordt in de simulaties ongeveer een niveau gevonden dat vergelijkbaar is met het niveau gemeten in de kooi. Met nieuwe technologie, die steiler flanken met zich meebrengt, worden de hogere frequenties in de uitstralingspatronen van belang. Dit komt doordat kortere baantjes en draden de mogelijkheid hebben om antennes te vormen. Ook de eigen afmetingen van het systeem zullen een rol beginnen spelen. Ter illustratie van het verschil tussen technologie met een kleinere flanksnelheid en een met een grotere flanksnelheid werd volgende grafiek gemaakt waar de omgerekende grafieken voor 3 technologieën worden gegeven voor de configuratie met 1 print geconnecteerd. Necsimulatie Electric Field : Aangepaste simulatie Vergelijking tusssen gecorrigeerd 1ns -, 10 ns technologie en niet gecorrigeerd Electric Field (dbµv) Frequentie (MHz) technologie sneller dan 1ns 10 ns technologie 1 ns technologie A norm EN55011 op 3m B norm EN55011 op 3m Uit de metingen blijkt dat vroegere technologieën minder problemen geven bij de hogere frequenties dan perfomantere technologie. Dit kan men ook zien in een praktijkvoorbeeld in bijlage 1 paragraaf Bij deze monitor zijn er boven de 100Mhz niet veel problemen alle probleem. Uitstralingsspectra van toestellen ouder dan 5 jaar zijn over het algemeen veel rustiger. Deze trend moet, een waarschuwing zijn voor de nabije toekomst. De elektronica wordt steeds sneller en er zal steeds meer zorg moeten besteed worden aan een goed ontwerp om de normen nog te kunnen halen. Besluit : Kies niet altijd voor de snelste technologie. Een snellere technologie heeft een groter frequentie inhoud over een veel grotere bandbreedte en dit maakt dat met iedere nieuwe technologie die in roulatie komt er telkens meer aandacht aan zal moeten gaan naar het vermijden van EMC problemen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 45

46 4 Bijlage 1 : Meetresultaten van enkele typische metingen 4.1 Effect van een beter massavlak a) Zonder massavlak b) Met betere verdeling van de massabanen c) Met een eigen massavlak Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 46

47 4.2 Effect van een beter massavlak op een meervoudig systeem a) zonder massavlak b) Met betere verdeling van de massabanen c) Met een eigen massavlak Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 47

48 4.3 Invloed massavlak op een meervoudige configuratie a) Beide printen gerefereerd op dezelfde grondplaat (grafiek 1a+ grondplaat) Printen zonder massavlak maar een grondvlak toegevoegd b) Beide printen gerefereerd op dezelfde grondplaat (grafiek 1a+ grondplaat) Printen zonder massavlak, beter verdeling massabanen + grondvlak toegevoegd c) Beide printen gerefereerd op dezelfde grondplaat (grafiek 1a+ grondplaat) Printen met massavlak + grondvlak toegevoegd Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 48

49 4.4 Antennevorming voor klok signalen a) Referentie zonder draden b) Aan de klokpin wordt een draad geconnecteerd c) Aan de ground-pin van het klok IC wordt een draad (in het massavlak) geconnecteerd Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 49

50 4.5 Voedingen waar filteren a) Geen filter b) Filteren tussen voeding en schakeling c) Filteren tussen voeding en schakeling en tussen voeding en netspanning Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 50

51 4.6 Hogere frequenties a) gestrekte configuratie een van de twee printjes met eigen massavlak b) gestrekte configuratie, beide printjes met eigen massavlak Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 51

52 4.7 Praktijkvoorbeelden Domatica systeem a) oorspronkelijke situatie b) equipotentiaal gemaakt systeem Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 52

53 4.7.2 Stappenmotor a) oorspronkelijke situatie b) equipotentiaal gemaakt systeem Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 53

54 4.8 Invloed van de voedingsspanning Indien de voedingspanning net in of buiten de specificaties van de componenten ligt dan onstaat er een algemene ruis in het uitstralingspatroon a) 4,40 V voedingsspanning b) 4,45 V voedingsspanning Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 54