Suurtaajuiset häiriöt sähkö -, heikkovirta - ja tietoliikenneverkoissa Pasi Tamminen

Transkriptio

1 Suurtaajuiset häiriöt sähkö -, heikkovirta - ja tietoliikenneverkoissa Pasi Tamminen Tutkija, TTY, Tampere pastammi@live.com

2 Suurtaajuiset häiriöt Voltage/current source, relay, frequency conventer, power switching IPC APEX 2015, San Diego, CA

3 System Level EMC/ESD Protection

4 Industry Council WP

5 Unpowered handling EOS Root Causes Powered handling AC operation / Switching Industry Council WP

6 Probability of immediate damage Absolute Maximum Rating (AMR) The AMR is represented by the dividing line between acceptable operating conditions and unacceptable ones The yellow line indicates a transition from latent to immediate damage, and depends on, for example, statistical process variation Industry Council WP

7 Mistä EMC Häiriöt Tulevat Luonnosta; Staattinen sähkö (salama & ESD), aurinkomyrsky (seuraava iso on jo tulossa ~1859 =) Sähköiset laitteet; radiolähettimet, sähköiset työkalut, digitaaliset laitteet, releet, hakkurilähteet, taajuusmuuntajat, kiinalaiset sähkövärkit, Säteilemällä (E/H kentät) ja johtumalla (virta / jännite)

8 Miten Häiriöt Kytkeytyvät Kapasitiivisesti Ei riipu virrasta nopeat jännitemuutokset Induktiivisesti Ei riipu jännitteestä virran muutokset Säteilemällä 377 Ω aalto kaukokentässä Johtumalla Vaatii galvaanisen kontaktin

9 EMC/ESD Hallinta EM häiriön lähde Säteilevä ja/tai Johtuva Kytkeytyminen Häiriintyvä laite EMC/ESD häiriöitä voidaan hallita kontrolloimalla näitä kolmea

10 Mistä EMC Häiriöt Tulevat Ulkoiset lähteet ja sisäiset lähteet esiintyy virransyötön vaiheissa esiintyy maaverkossa / nollajohdossa Suurimmat taajuudet (>10 MHz) ovat yleensä vaimentuneita ulkoisista häiriölähteistä Sisäiset häiriölähteet voivat olla suurtaajuisia (> 1 GHz) jos etäisyys pieni ja/tai pieni vaimennus Suurin osa suurtaajuisista häiriöistä syntyy lähellä häiriintyvää kohdetta

11 Mistä EMC Häiriöt Tulevat Kytkimet, releet, katkaisimet Teholähteiden ja kuormien kytkeminen Induktiivisten laitteiden käynnistyminen ja sammuttaminen (moottorit, muuntajat, ) Kipinöivät laitteet / kytkimet Heikko maaliitos Laitteiden toimintahäiriöt Tehonsyöttölaitteiden toiminta Kaapeleiden kontaktiongelmat ESD ilmiöt

12 EM Häiriöiden Taajuuskäyttäytyminen

13 Häiriölähteitä Source: Jouko Heikkinen, TTY

14

15 Maadoitusjohtimen pituus Maadoitusjohdot voivat toimia sähköisten häiriöiden antennina Käytännössä on ongelma vain jos kaapeli toimii resonanssitaajuudellaan näkyy suurena impedanssina Ongelmat ovat pienempiä jos kaapelin pituus alle l < 1/20 x λ Z Z = R + jωl Induktiivinen Kapasitiivinen λ / 4 resonanssi Taajuus [Hz]

16 Häiriölähteet & Antennit Source:

17 Suoran Johtimen Induktanssi Johtimen induktanssi kasvaa suurilla taajuuksilla Nyrkkisääntö; 1 µh / metri Sisäinen + ulkoinen induktanssi d=johdon halkaisija (cm), l=pituus (cm), f=taajuus, r=säde (cm), µ=µ 0 * µ r magneettinen permeabiliteetti

18 Signaalin häiriö yksikarvaisessa linjassa Signaalin häiriö kaksikarvaisessa differentiaalilinjassa Source:

19 AC häiriön kytkeytyminen Source:

20 A Vuotovirran kulku laitteesta A Silmukka Z = R + jωl Ongelman poisto; Katkaise S häiriö signaalin mukana? Lisää S:n resistanssia heikompi signaali Suodatus / suojaeromuunta Tähtimäinen maadoitus

21 Häiriön Kytkeytyminen - Kaapelointi Attenuation db Attenuation 0 ref db Source: H. Ott, Noise Reduction Technologies

22 Häiriöt Maatasossa Yksittäinenkin laite pystyy saastuttamaan maatason häiriöillä Maajohtimien induktanssi lisää häiriöjännitteitä Maajohtimiin voidaan lisätä omat suodattimet jotka poistaa häiriöitä kilohertsien taajuudesta lähtien paikallinen häiriönpoisto Lähde: Onfileter

23 Sähköverkon Häiriöt Esimerkki teollisuuden sähkönjakeluverkon aiheuttamista häiriöistä 440 V Ylijännitesuojat -440 V Thyristors / MOV / TSPD / TVS ovat nopeita, mutta toimivat vain yli 330 V 440 V tasoilla Lähde: Onfilter

24

25 Häiriölähde Esimerkkejä UPS teholähde Häiriö maatasossa EOS/ESD Symposium 2009, Paper 1B1 IPC APEX 2015, San Diego, CA

26 EMI:n Aiheuttamat Ongelmat Laite lukittuu ei vastaa herätteisiin vaatii uudelleenkäynnistyksen Virhetoiminta häiriö estää signaalin vastaanottamisen anturin viesti virheellistä, kalibrointi pielessä softa virheitä Laitteen vikaantuminen EOS Electrical Overstress lyhentynyt elinikä

27 EM Häiriöiden Mittaus

28 CT6 CT2 CT1 CT1, CT2 and CT6 Current Probes Comparison 50 Ohms external termination for extending scope vertical range Pulse Signal Generator Oscilloscope 50 Ohms Source: Onfilter

29 Probe Comparison CT1 CT2 CT6 Voltage Original Signal (Voltage) Source: Onfilter

30 EM Häiriöiden Mittaus Merkittävin osa EM häiriöistä on 10kHz ~ 2MHz välisellä taajuusalueella.. Käytetty EM häiriön mittausmenetelmä saattaa piilottaa alhaiset/korkeat taajuudet. Nopeat (>>100 MHz) häiriöt vaativat matala kapasitiiviset mittaprobet (<< 10 pf) 50 Ω & 500 MHz 0.7 pf & 455 Ω probe aiheuttaa 10% häviön, 3 pf & 100 kω probe aiheuttaa 32% häviön signaalissa

31 E- ja H-field Skannaus Manuaalisia ja automaattisia skannaustekniikoita Source: Ind. Council white paper III Part II

32 IEC Surge Immunity Standard

33 IEC Surge Immunity Standard Pulssin muoto Source: Infineon: AN

34 Kaapelipurkaus (ESD) Staattisesti varautuneet kaapelit ovat merkittävä riskitekijä tietyissä kohteissa Ethernet kaapelit, autoelektroniikka, pienjännitekaapelit 100 m Cat 5 kaapeli & 200V nts/openforumpart1hopkins.pdf

35 Future technologies & EMC/ESD Smaller size more coupling & interference issues Printable electronics how to get EMC/ESD filters Flexible boards RF performance limitations Nano solders density increases PCB routing issues Optical connections good for EMC/ESD? Operation voltages down ~1 V <-> easy to couple EMC Stacked assemblies RF design challenges Scattered designs Ground reference issues Nano coatings wear, moisture, clean High impedance I/Os easy to couple EM Slow standardisation new technologies with limited control

36 Yhteenveto Suurtaajuisia EMC häiriöitä voidaan mitata tarkasti kun ymmärretään miten mittaus vaikuttaa tuloksiin Suurin osa elektroniikkalaitteista osataan suunnitella hyvin ja ne ei häiriinny/häiritse muita laitteita Haasteita kun erillisiä laitteita kytketään toimimaan yhdessä ennalta arvaamattomia EMC ongelmia Elektroniikan lisääntyminen, (IoT), taajuuksien nousu, sekä signaalitasojen pieneneminen haasteena Heikohko EMC direktiivien seuranta markkinoille lisää pöriseviä ja yliherkkiä laitteita. Halvalla ei saa hyvää, pätee myös EMC ominaisuuksiin