Suurtaajuiset häiriöt sähkö -, heikkovirta - ja tietoliikenneverkoissa Pasi Tamminen Tutkija, TTY, Tampere pastammi@live.com
Suurtaajuiset häiriöt Voltage/current source, relay, frequency conventer, power switching IPC APEX 2015, San Diego, CA 29.10.2016 2
System Level EMC/ESD Protection 29.10.2016 3
Industry Council WP4 2016 29.10.2016 4
Unpowered handling EOS Root Causes Powered handling AC operation / Switching Industry Council WP4 2016 29.10.2016 5
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 WP4 2016 29.10.2016 6
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) 29.10.2016 7
Miten Häiriöt Kytkeytyvät Kapasitiivisesti Ei riipu virrasta nopeat jännitemuutokset Induktiivisesti Ei riipu jännitteestä virran muutokset Säteilemällä 377 Ω aalto kaukokentässä Johtumalla Vaatii galvaanisen kontaktin 29.10.2016 8
EMC/ESD Hallinta EM häiriön lähde Säteilevä ja/tai Johtuva Kytkeytyminen Häiriintyvä laite EMC/ESD häiriöitä voidaan hallita kontrolloimalla näitä kolmea 29.10.2016 9
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 29.10.2016 10
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 29.10.2016 11
EM Häiriöiden Taajuuskäyttäytyminen 29.10.2016 12
Häiriölähteitä Source: Jouko Heikkinen, TTY 29.10.2016 13
29.10.2016 14
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] 29.10.2016 15
Häiriölähteet & Antennit Source: http://www.compliance-club.com 29.10.2016 16
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 29.10.2016 17
Signaalin häiriö yksikarvaisessa linjassa Signaalin häiriö kaksikarvaisessa differentiaalilinjassa Source: www.ibiblio.org 29.10.2016 18
AC häiriön kytkeytyminen Source: www.ibiblio.org 29.10.2016 19
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 29.10.2016 20
Häiriön Kytkeytyminen - Kaapelointi Attenuation db Attenuation 0 ref db 80 0 27 13 55 70 65 77 13 28 Source: H. Ott, Noise Reduction Technologies 29.10.2016 21
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 29.10.2016 22
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 29.10.2016 23
29.10.2016 24
Häiriölähde Esimerkkejä UPS teholähde Häiriö maatasossa EOS/ESD Symposium 2009, Paper 1B1 IPC APEX 2015, San Diego, CA 29.10.2016 25
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 29.10.2016 26
EM Häiriöiden Mittaus http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1273282 29.10.2016 27
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 29.10.2016 28
Probe Comparison CT1 CT2 CT6 Voltage Original Signal (Voltage) Source: Onfilter 29.10.2016 29
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 29.10.2016 30
E- ja H-field Skannaus Manuaalisia ja automaattisia skannaustekniikoita Source: Ind. Council white paper III Part II 29.10.2016 31
IEC 61000-4-5 Surge Immunity Standard 29.10.2016 32
IEC 61000-4-5 Surge Immunity Standard Pulssin muoto Source: Infineon: AN 210 29.10.2016 33
Kaapelipurkaus (ESD) Staattisesti varautuneet kaapelit ovat merkittävä riskitekijä tietyissä kohteissa Ethernet kaapelit, autoelektroniikka, pienjännitekaapelit 100 m Cat 5 kaapeli & 200V https://www.esda.org/assets/uploads/docume nts/openforumpart1hopkins.pdf 29.10.2016 34
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 29.10.2016 35
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 29.10.2016 36