Bruk de høyre «hyllevare»-metallboksene og -klips til å beskytte mot EMI/RFI

Dagens kretser svømmer i et hav av elektromagnetisk (EM)-energi med vidt varierende intensitet og frekvens. Som et resultat er EM-interferens (EMI), radiofrekvensinterferens (RFI) – ofte gruppert som elektromagnetiske kompatibilitetsemner (EMC) – gjennomgripende, relaterte fenomener som påvirker kretsytelsen og formell produktgodkjenning. Selv om disse har vært problemstillinger siden elektronikkens tidlige tid, byr de nå på stadig vanskeligere utfordringer på grunn av den utbredte tilgjengeligheten av trådløs tilkobling, bruk av høyere frekvenser, mer følsomme kretser og lavere spenningsskinner.

Interferens som påvirker en krets, kan skyldes både forsettlige og utilsiktede emittenter av elektromagnetisk energi i nærheten og kan forårsakes av naturlige eller menneskeskapte kilder. Selve kretsen kan også avgi uønsket eller uakseptabel EM-energi som påvirker nærliggende elektronikk. En av de vanligste løsningene for å redusere EMI/RFI-energiproblemer er å legge til skjerming rundt de kritiske delene av kretskortet eller til og med en hel modul. Under kort- og prototypetrinnene kan denne skjermingen improviseres for å forstå, dempe og løse problemet. Slike improviserte løsninger er imidlertid ikke kompatible med et produksjonsmiljø eller med test-, feilsøkings- og reparasjonsstasjoner.

Denne artikkelen identifiserer de grunnleggende utfordringene med EMC på kretskort, montasjer og produkter. Den ser deretter på standardløsninger for skjerming fra Harwin og hvordan de kan brukes for teknisk effektivitet og produksjonskompatibilitet.

EMC-problemer går to forskjellig stier

Elektrisk interferensenergi kan bevege seg fra en kilde til en «offer»-krets via ledning eller stråling (figur 1). I ledningstilfellet beveger energien seg gjennom ledere som ledninger eller kabler. Designere demper vanligvis denne energien ved hjelp av ferrittperler, filtre, struper og andre passive komponenter. I det utstrålte tilfellet er energibanen gjennom luft eller vakuum som går fra kilde til offer, uten metalliske ledere.

Figur 1: Uønsket EM-energi kan gå inn i eller ut av et system gjennom ledning via kabler eller stråling gjennom luft eller vakuum. (Bildekilde: Slideshare.net, «Oversikt over EMI/EMC»)

Disse uønskede virkningene kan noen ganger reduseres ved å omplassere komponenter ved kilden eller offeret, men dette er en tidskrevende prosess som vanligvis er upraktisk, umulig eller ineffektiv. På samme måte er filtrering ikke et levedyktig alternativ siden mye av den forstyrrende EMI/RFI-energien er innenfor det aktuelle radiofrekvensbåndet (RF), og slik filtrering vil også redusere styrken til ønsket signal, noe som kompromitterer systemytelsen.

For noen utstrålte EMI-tilfeller brukes noen ganger en teknikk kalt «spredningsspektrum» for å redusere topp EMI-utslipp ved driftsfrekvensen. I denne anordningen er kretsens klokke tilfeldig «vakle» rundt den nominelle frekvensen, som en form for frekvenshopping. Dette sprer RF-energien over spekteret, men reduserer ikke den samlede energien som slippes ut (figur 2).

Figur 2: Modulering av en klokke sprer RF-spekteret og reduserer dermed toppenergien, men reduserer ikke den samlede mengden uønsket EM-energi; demping av toppene kan være en tilstrekkelig forbedring for noen bruksområder. (Bildekilde: DigiKey)

Spredningsspektrum-anordningen anses for å være en «juks» av noen designere, ettersom den først og fremst gjøres for å oppfylle utslippsgrensene, mens andre anser den som en enkel og elegant løsning. Den kan hovedsakelig anvendes på DC-DC-bryterregulatorer der en fast driftsfrekvens ikke er kritisk, men spredningsspektrumfrekvenshopping er ikke egnet for de mange situasjonene der bærer- og driftsfrekvensstabiliteten er kritisk.

Svaret er ofte: passiv skjerming

I de fleste EMC-tilfeller er den forstyrrende energikretsen utenfor konstruktørens kontroll, men den må reduseres ved kilden eller offeret. En effektiv og utbredt løsning for å håndtere utstrålt EMI/RFI er å legge til jordet metallskjerming rundt den forstyrrende energikilden eller offeret, avhengig av omstendighetene. Dette gir to tekniske problemer:

• Hvilket eller hvilke områder av kretskortet trenger skjerming?
• Hvordan bør denne skjermingen implementeres for et produksjonsmiljø for å minimere tid til markedet, kostnader og innvirkning på produksjonen?

I mange tilfeller er området eller områdene som trenger skjerming åpenbare, for eksempel en RF-transceiverseksjon; i andre tilfeller vil det kreve flere anstrengelser å finne den delen av kretsen som enten avgir for mye EMI/RFI eller er mottakelig for det. For å finne disse områdene bygger designere ofte en liten, EMI-tett lederboks for å omslutte og skjerme området som undersøkes. Avhengig av produkt og design, må denne boksen kanskje være så liten som en fingernegl eller stor nok til å omslutte et helt kretskort.

For mindre RF-kabinetter er det mulig å bruke tynn kobberplate brettet inn i en eske, med sømmene enten loddet eller dekket med kobbertape som har et ledende lim. For mellomstore og større innkapslinger kan rester av kledt kretskort kuttes til den størrelsen som er nødvendig for å bygge esken, med alle sømmer tapet eller loddet (figur 3). I noen tilfeller blir sømmene først «limt» (hefteloddet) på noen få steder for grunnleggende stabilitet og deretter dekket med ledende tape.

Figur 3: Dette skjoldet (med dekselet fjernet) rundt et lite kretskort er konstruert av små biter av uetset plate med loddede sømmer. (Bildekilde: QRP HomeBuilder)

Boksen plasseres deretter over området av brettet som evalueres og sømlinjen mellom den åpne bunnen og kretskortet loddes til en lav impedans RF-jord. I praksis kan dette faktisk være mer utfordrende enn det ser ut til, siden kretskortet ofte ennå ikke har et bakkespor som tilsvarer omkretsen av den konstruerte boksen. Selv om noen få tilkoblingspunkter kan være tilstrekkelig, betyr en mer kontinuerlig jordet søm at det er mindre vei for RF-lekkasje inn i eller ut av boksmontasjen.

Det er en annen bekymring med denne på-loddede anordningen. På grunn av de tynne sporene på mange kretskort, vil lodding eller avlodding av testboksen fra brettene sannsynligvis skade de delikate sporene og ødelegge brettet. Derfor er det en god idé å gjøre noen målinger av situasjonen ved hjelp av RF-sonder og sniffere før du bygger og fester disse skjermingsboksene.

En bedre prototypeskjold-anordning

Å fremstille en skjermingsboks ved hjelp av kobberfolie eller kobberkledde kretskort fungerer ikke, men det er en tidskrevende prosess. Det krever også å håndtere FR-4-substratet (hvis du bruker kretskort), som er vanskelig å kutte uten riktig oppsett og etterlater stygge glassfibersplinter i brukerens fingre, med mindre hanskene er brukt. Selv bruk av en bare kobberplate har problemer, da den kan kutte fingre hvis den håndteres skjødesløst, og kan kreve tilgang til en liten bøyebremse for å oppnå riktige 90° folder på kanter og hjørner. Det som til å begynne med kan virke som en enkel gjør-det-selv-anordning med å bygge en testboks for skjerming, er ikke så raskt og enkelt som det ser ut til, selv om det absolutt er mulig.

Heldigvis er det en bedre løsning ved hjelp av Harwin sitt skjermingsbokssett S01-806005 RFI Shield Can Kit. Dette settet leveres med to skjermingsboks-ark etset med et kvadratisk rutenett på 5 mm, 24 RFI-skjermklemmer og brukervennlige instruksjoner. For å lage en grunnleggende foldet boks, tegner du bare et enkelt diagram over ønsket boksdimensjon, kutter bort det unødvendige platematerialet og bretter det gjenværende materialet på de etsede linjene ved hjelp av en metalllinjal som en veileder og uformell bøyebremse (figur 4).

Figur 4: Ved hjelp av Harwin sitt skjermingsbokssettet S01-806005 RFI Shield Can Kit kan brukerne enkelt bygge spesialtilpassede skjermdunker ved hjelp av de medfølgende metallplatene med et etset 5 mm rutenettmønster. (Bildekilde: Harwin)

Dunken er nå klar til å festes til kretskortet ved ganske enkelt å feste den til de medfølgende S1711-46R RFI-skjermklemmene, som kan loddes med påsmeltingslodding, eller til og med håndloddes til kortet (figur 5). Dette er en mye bedre anordning enn å forsøke å lodde boksen direkte til brettet, og det gir også mulighet for enkel fjerning av boksen etter behov for test, måling, evaluering og feilsøking av den «konserverte» kretsen.

Figur 5: Den medfølgende S1711-46R RFI-skjermklemmen er loddet til kretskortet, og deretter kan alle som er konstruert ved hjelp av skjermingsbokssettet S01-806005 RFI Shield Can Kit enkelt klipses til den. (Bildekilde: Harwin)

Prototypen er ikke produksjon

Selv om «gjør-det-selv» (DIY)-bokser eller Harwin Shield Can Kit kan peke på en EMC-løsning, er de ikke kompatible med høyvolumproduksjon eller lavvolumproduksjon. Å bygge en mengde innkapslinger av «skrap» eller foldet kobberplate krever tydeligvis ytterligere produksjonstrinn og tid, og er en ikke-standard gjenstand å sette på materiallisten (stykkliste). Selv om det er akseptabelt, er det å feste disse til kretskortet via lodding langs skjøten mellom kabinettet og kortet en manuell operasjon, i motsetning til standard påsmeltingslodding av de andre komponentene; det er også en god sjanse for å skade kortet, og fjerning for test eller reparasjon er upraktisk.

Igjen er det en bedre tilnærming til å løse problemet ved hjelp av prefabrikkerte RF-skjermdunker og matchende monteringsklipp fra Harwin. Disse svært RF-ledende, uplaterte rektangulære boksene av nikkelsølv er tilgjengelige i et bredt spekter av størrelse på monteringsflater og -høyder, fra en plassbesparende 10 mm x 10 mm x 3 mm høy (0,394 x 0,394 x 0,12 tommer) med 0,15 mm materialtykkelse for S03-10100300R (figur 6) til større bokser som S01-50250500 som måler 25 mm x 50 mm x 5 mm høy (ca. 1 x 2 x 0,25 tommer) med en tykkelse på 0,3 mm.

Figur 6: Harwin S03-10100300R-skjerm måler 10 mm x 10 mm x 3 mm høyt (0,394 x 0,394 x 0,12 tommer) og passer godt til dagens små RF-kretser. (Bildekilde: Harwin)

Disse boksene alene løser bare en del av det produksjonsvennlige kravet. Av denne grunn tilbyr Harwin et bredt utvalg av klemmer som kan smelteloddes til kretskortet (figur 7), samt kan klipses/klemmes på og av. De forskjellige klippene imøtekommer forskjellige kortsituasjoner i layout, orientering, tilgang og interferens med tilstøtende kretskortspor og -felt, så vel som materialtykkelse.

Figur 7: Komplementære boksmonteringsklemmer som fullfører skjermings- og monteringsløsningen er tilgjengelige i forskjellige stiler og størrelser som tilsvarer tykkelsen på boksen, og i forskjellige konfigurasjoner for å møte ulike behov for kretskort. (Bildekilde: Harwin)

Visse klemmestiler er designet for mobilenhetsprogrammer med antennemater, og konfigurasjoner er tilgjengelige som beskytter mot overkomprimering, hindrer uventet fastkjøring og kan brukes vertikalt eller horisontalt. Mikroklemmer med en profil så lav som 1,1 mm er tilgjengelige, i tillegg til 90⁰ hjørneklemmer utformet for å håndtere lokalisert virvelforstyrrelse.

Faktorering i RF-demping, kjøling

Det er et grunnleggende faktum om metallbokser med fast overflate som omgir kretskomponenter: de kan hindre kjøling av konveksjonsluftstrøm fra overflatene på komponentene de omslutter. Dette kan synes å utelukke skjermdunker i mange bruksområder, men det er egentlig ikke situasjonen. Grunnen er at metallet i boksen er ganske tynt – fra 0,15 til 0,3 millimeter avhengig av spesifikk boksmodell og størrelse. Dette tynne materialet utgjør bare en liten barriere for varmestrøm via ledning fra innsiden av boksen til utsiden. Når varmen er ført til den ytre overflaten, kan den bæres bort ved fri eller tvungen luftkonveksjon eller på andre måter.

I denne forbindelse er en tynn metallboks langt bedre termisk enn et skjermet kabinett laget av vanlig FR-4 stk pappmateriale, som presenterer en mye høyere varmeimpedansbarriere med konduktivitet på mellom 1 og 3 watt/meter-Kelvin (W/m-K) og en standardtykkelse på 1,6 millimeter. Sammenlign dette tallet med konduktiviteten til nikkel-sølvet, som er ca 1000 ganger høyere, samt mye tynnere (bare 0,15 til 0,3 millimeter). Grunnleggende termisk modellering kan kvantifisere virkningen av den tynne metallboksens kjøling. I nesten alle tilfeller er det også god praksis å følge standardteknikken for å bruke den underliggende kobberplaten med sin høye varmeledningsevne til å transportere bort en betydelig mengde varme fra de monterte komponentene.

En tilsynelatende løsning for å forbedre termisk konveksjon med skjermdunker er å sette hull i boksoverflaten. Dette tilføyer imidlertid et nytt sett problemstillinger. Hullene må være små nok og plassert langt nok fra hverandre til at de ikke tillater RF-lekkasje. Ettersom største tillatte diameter og avstand er en funksjon for bølgelengde, er en typisk førsteordens retningslinje at åpninger ikke bør være mer enn en tiendedel av den korteste bølgelengden som skjermes.

Imidlertid er det ikke alltid lett eller åpenbart å bestemme den kritiske bølgelengden og dermed hullstørrelsen, da den forstyrrende RF-energien kan være ved frekvenser som er høyere (og dermed ved en kortere bølgelengde) enn produktets tilsynelatende drifts- eller bærefrekvens. Tenk på at et forstyrrende gigahertz-frekvenssignal kan overbelaste og mette en nærliggende megahertz-frekvensforsterker. Dermed må den maksimale tillatte hullstørrelsen være mye mindre enn diktert av en enkel førstegangsanalyse av produktets driftsfrekvens.

Husk at i tillegg til å sikre kretsytelse, kan et annet mål med skjermdunkene og klipsene være å gi RF-demping over et bredt frekvensområde for å oppfylle myndighetskrav til produktet. Disse EMC-relaterte reguleringsstandardene definerer den maksimale RFI/EMI som et produkt kan opprette innenfor de forskjellige sonene av RF-spektret, samt produktets tillatte mottakelighet som et EMI/RFI-offer, uavhengig av nominell driftsfrekvens.

Derfor må skjerming ofte gjøre mer enn bare å sikre ytelse ved den åpenbare driftsfrekvensen, men i stedet må det også gi demping på tvers av det bredere EM-spekteret. Bruk av kjølehull dimensjonert bare for den nominelle driftsfrekvensen kan redusere dempingen oppnådd ved de kortere bølgelengdene og kan påvirke regulatorisk godkjenning.

Konklusjon

Elektromagnetisk kompatibilitet og problemer med RFI/EMI påvirker nesten alle elektroniske produkter og utrustninger, og den økende bruken av trådløse koblinger sammen med høyere frekvenser gjør designsituasjonen mer utfordrende. Løsningen på mange problemer på grunn av utstrålt EMI/RFI involverer ofte grunnleggende RF-skjerming ved hjelp av en metallboks til å omslutte de berørte kretsene fullstendig.

Disse boksene er tilgjengelige som standardvarer i et bredt utvalg av størrelser, sammen med et utvalg av kretskortklemmer i forskjellige konfigurasjoner, slik at boksene enkelt kan festes eller fjernes fra kretskortet. Disse klemmene er også fullt kompatible med utstyr som brukes til innsetting og lodding av SMT-pakkede komponenter i et volumproduksjonsmiljø.