EMC Mittajohtimien maadoitus Anssi Ikonen EMC - Mittajohtimien maadoitus Mittajohtimet ja maadoitus maapotentiaalit harvoin samassa jännitteessä => maadoitus molemmissa päissä => maavirta => häiriöjännite 1
EMC - Mittajohtimien maadoitus Maadoituksen valinta: anturi, mittajohdin ja vahvistin, joka käyttää maapotentiaalia referenssinä. neljä eri tapaa toteuttaa maadoitus Mikä on vahvistimessa näkyvä häiriöjännite eri tapauksissa? Mikä kytkennöistä suositeltavin maapotentiaalista aiheutuvien häiriöiden kannalta? EMC - Mittajohtimien maadoitus Maadoituksen valinta: differentiaalivahvistin 2
EMC - Mittajohtimien maadoitus Suositeltavat maadoituskytkennät mittauskytkennässä: EMC - Ero- ja yhteismuotoinen häiriö Eromuotoinen häiriö kytkeytynyt häiriö aiheuttaa virran signaalijohtimissa esim. induktiivinen kytkeytyminen eromuotoisen häiriön suodattaminen: 3
EMC - Ero- ja yhteismuotoinen häiriö Eromuotoinen signaali V 1 = -V 2 => vaihe-ero = 180 signaali kulkee ainoastaan signaalijohtimia pitkin maavirta = 0 eromuotoinen häiriö summautuu signaaliin EMC - Ero- ja yhteismuotoinen häiriö Yhteismuotoinen häiriö kytkeytynyt häiriö aiheuttaa virran, joka kulkee samaan suuntaan kaikissa signaalijohtimissa esim. induktiivinen kytkeytyminen ja maasilmukka 4
EMC - Ero- ja yhteismuotoinen häiriö Yhteismuotoinen häiriö molempien signaalijohtimien potentiaali muuttuu yhtä paljon => häiriöstä aiheutuva jännite kuorma yli 0 EMC - Ero- ja yhteismuotoinen häiriö Esimerkki Mittausjärjestelmässä käytetään instrumentointivahvistinta IN122, jolla mitataan resistiivisen anturin arvon muutosta, jännitevahvistus G=100. Vahvistimen lähtöjännitettä näytteistetään 12-bittisellä ADmuuntimella, jonka V FSR = 5V. Mikä on suurin yhteismuotoinen 50Hz:n taajuinen häiriö, joka anturin johtimiin saa kytkeytyä, ettei vahvistimen lähdössä näkyvä jännite ylitä AD-muuntimen LSb:n arvoa? 5
EMC - Mittajohtimien maadoitus Maasilmukka ja häiriövirta maapotentiaalien välillä jännite-ero ja/tai induktiivinen kytkeytyminen muodostuvaan johdinsilmukkaan => häiriövirta johtimilla äärellinen johtavuus => häiriöjännite vastaanottimessa audiolaitteilla kohtalaisen helppo huomata EMC - Mittajohtimien maadoitus Virtapiirien eristäminen muuntaja potentiaaliero näkyy jännitteenä ensiön ja toision välillä kapasitiivista kytkeytymistä muuntajan hajakapasitanssin kautta muuntaja kytketty yhteismuotoiseksi DC- ja eromuotoinen signaali pääsee muuntajan läpi yhteismuotoinen signaali vaimentuu optoerotus ei galvaanista kytkentää heikohko lineaarisuus 6
EMC - Kuristin Kuristin ie. Common mode choke vaimentaa yhteismuotoisen häiriön Miksi? - siitä enemmän laskuharjoituksessa eromuotoinen signaali läpi vaimentumatta EMC - Kuristin Yhteismuotoisen signaali näkemä impedanssi taajuuden funktiona: Eromuotoisen signaalin näkemä impedanssi taajuuden funktiona: Tyco Electronics 7
EMC Maadoitus ja häiriöt EMC - Maadoitus piirikortilla Kaksi eri maata: Suojamaa laitteen kotelo kytketty maajohtimeen laitteen käyttöturvallisuuden takaamiseksi lainsäädäntö Signaalimaa referenssijännite kytkennän signaaleille harvoin sama kuin suojamaa 8
EMC - Maadoitus Maadoituksesta aiheutuva yleinen ongelma: Galvaaninen kytkeytyminen (yhteisimpedanssi) korkea maajohtimen impedanssi suuri maavirta maajohdin toimii herkän kytkennän referenssinä EMC - Maadoitus Esimerkki: Galvaaninen kytkeytyminen kuormavirta I LOAD = 2A maajohtimen leveys w = 80 mils (1 mil = 0.0254 mm) kuparin paksuus piirikortilla, h = 70µm kuparijohtimen ominaisresistanssi: l R= ρ [ Ω] jossa ρ johtimen resistiivisyys ρ Cu = 1.724*10-6 [Ωcm] johtimien pituudet ovat l 1 = 10cm ja l 2 = 4cm mitkä ovat vahvistimien Q1 ja Q2 maajohtimissa näkyvät häiriöjännitteet? A l 1 l 2 9
EMC - Maadoitus Signaalimaa referenssijännite signaaleille => mahdollisimman matalaimpedanssinen reitti paluuvirralle 3 perustyyppiä maadoituksen toteutukseen 1. yksipiste 2. monipiste 3. hybridimaadoitus EMC - Maadoitus Yksipistemaadoitus: 1 2 3 1 2 3 Käytännön esimerkkejä oheisista maadoitusratkaisuista? 10
EMC - Maadoitus Monipistemaadoitus: 1 2 3 Käytännön esimerkkejä? EMC - Maadoitus Hybridimaadoitus kaksi reittiä maavirralle DC-virralle yksipistemaadoitus AC-virralle monipistemaadoitus 1 2 3 maajohtimen pituus tulisi olla aina < λ/20 11
EMC - Maadoitus Maadoitus piirikortilla maataso jaetaan erillisiin lohkoihin eri lohkoille yksipistemaadoitus Kuinka sijoittaisit ja maadoittaisit 16- bittisen ADmuuntimen? EMC - Laitekokonaisuuden maadoitus Esimerkki: 9-raitanauhuri 12
EMC - Maadoitus Useampien laitteiden maadoitus: Mitä vikaa maadoituksessa? EMC - Maadoitus piirikortilla Digitaalipiirien maadoitus ja tehonsyöttö toiminnalle ominaista nopeat jännitetason vaihdot => hetkelliset virtapiikit => johtimien induktanssi => häiriöjännite Nopeiden digitaalipiirien maadoituksessa tulisi välttää pitkiä maajohtimia, esim. oheisen piirikortin noisy-alueen maadoitus 13
EMC - Johtimien ominaisinduktanssi Piirilevylle painetun johtimen induktanssi paluuvirta vastakkaisella puolella piirikorttia huom! mitat senttimetreinä 2π h L 2 ln w [nh/cm] w h EMC - Johtimien ominaisinduktanssi Esimerkki: Looginen porttipiiri, jonka virrankulutus "1" tilassa: 5 ma "0" tilassa: 1 ma Piirin tilanvaihto kestää 2 ns oletetaan että virranmuutos on 4mA Tehonsyötön johdin w = 20 mils h = 1mm l = 3cm Mikä on induktanssista aiheutuva häiriöjännite? 14
EMC - Suodatuskondensaattorit Tehonsyötön suodatus suodatuskondensaattori IC-piirin läheisyydessä paikallinen tehonlähde tilanvaihtojen yhteydessä varaus otetaan kondensaattorista => ei induktanssista aiheutuvaa jännitehäviötä fyysinen sijoittelu tärkeä! lisäksi kookas kondensaattori virtalähteen tai -liittimen läheisyydessä kokosuositus: C 10 C Al jos kortilla suuri määrä IC-piirejä lisäkondensaattoreiden käyttö suositeltavaa hajasijoittelu piirikortille 1 / 10-20 IC-piiriä esim. tantaalikondensaattori suodatus EMC - Suodatuskondensaattorit Esimerkki: Arvioi vaaditun suodatuskondensaattorin koko IC-piiri kuluttaa tilanvaihdon yhteydessä 50mA virtapiikin esim. väylänohjain, jonka kaikki lähdöt vaihtavat yhtäaikaa tilaa tilanvaihto kestää 5ns Mitoita suodatuskondensaattori siten että käyttöjännitteessä näkyvä häiriöjännite on 100mV di dt C= dv 15
EMC - Suodatuskondensaattorit Kondensaattorin sijoittelu: Onko sijoittelu ok? EMC - Suodatuskondensaattorit Kuinka käyttöjännitteen tai maapotentiaalin häiriöt näkyvät vahvistimissa? => PSRR, Power Supply Rejection Ratio kuvaa kuinka paljon käyttöjännitteessä tai maapotentiaalissa näkyvä häiriöjännite vaimenee vahvistimessa vaimennus lasketaan häiriön ja vahvistimen tuloportissa näkyvän jännitteen välillä => summautuu signaaliin taajuusriippuva, kuvaajat löytyvät vahvistimien datalehdiltä 16