Reverb kammer Forbedring af produktets robusthed overfor elektromagnetiske forstyrrelser

Transkript

1 December 2014 TN6 Reverb kammer Forbedring af produktets robusthed overfor elektromagnetiske forstyrrelser Anders P. Mynster DELTA Venlighedsvej Hørsholm Danmark Tlf delta@delta.dk delta.dk

2 Indhold Resume... 3 Baggrund... 4 Reverb kammeret... 6 Elektromagnetisk indstrålet immunitet... 9 HALT High Accelerated Limit Test Standarder og harmoniserede test Eksempel 1: Switch mode AC/DC-konverter Eksempel 2: Mobilsenderimmunitet Eksempel 3: Forstyrrelser af operationsforstærker Konklusion Yderligere eksemplarer af rapporten kan rekvireres hos DELTA på mail delta@delta.dk Side 2

3 Resume DELTA har I flere år udført målinger i reverb kammer af EMCimmunitet for elektronik. I dette notat beskrives, hvad der er specielt ved et reverb kammer og hvilke problemer, der kan afhjælpes med anvendelsen. DELTA investerede i 2012 i et stort reverb kammer til EM- test af apparater. I dette TEK notat beskrives, hvad et reverb kammer består af samt teori om, hvordan det benyttes, og til sidst gives eksempler på de forskellige brugsscenarier, hvor reverb kammeret har bidraget til mere robuste produkter i den danske industri. Først beskrives, hvordan et reverb kammer fungerer og de vigtigste dele hertil. Dette er blandt andet det skærmede rum, antenner, stirrer og forstærkere. Dernæst beskrives, hvordan immunitetsfejl kan analyseres, og hvordan forstyrrende signaler kan se ud. Ved eksempler vises scenarier, hvor reverb kammeret er brugt til at vurdere immuniteten for forskellige produktversioner. Fx har DELTA observeret fejl på AC/DC strømforsyninger og på Ethernet porte. Samtidig illustreres reverb kammerets udbredelsesforhold i relation til stigningen af mobile radiosendere som mobiltelefoner og elektronik med Wi-Fi eller Bluetooth. Formålet med dette TEK notat er ikke at beskrive alle detaljer om reverb kamre, men snarere at give en overordnet introduktion til dem, og hvad de kan bruges til. Anders P. Mynster, Specialist DELTA Side 3

4 Baggrund Det har siden 1950erne været nødvendigt at måle, om apparater er immune overfor elektromagnetisk støj for at dokumentere, at de ikke bliver forstyrret og fungerer korrekt. NASA har udgivet en rapport i, der opsummerer nogle af de problemer, som elektromagnetisk udstråling har forårsaget. Denne inkluderer selvfølgelig de rumfartøjer og fly, der har været i problemer grundet elektromagnetisk støj, men også mere jordnære problemer som elektriske kørestole, der pludselig kører rundt af sig selv, og hvordan de første ABS-bremsere ikke fungerede på et bestemt stykke tysk motorvej, som var nær en radiosender. Det endte med, at hele motorvejen måtte have et elektromagnetisk støjhegn på samme måde, som vi ser akustiske støjhegn herhjemme. Da mere og mere elektronik vandt indpas i vores dagligdag, var det klart, at der måtte sættes regler for den udsendte elektromagnetiske støj, og for hvor elektromagnetisk følsomt elektronisk udstyr måtte være overfor disse elektromagnetiske felter. Derfor blev der i EU i 1992 introduceret det såkaldte EMC-direktiv, der skal overholdes, for at produkter kan CE-mærkes. Figur 1 Anekoisk radiodødt rum. For at kunne opfylde kravene i EMC-direktivet skal blandt andet immuniteten overfor elektromagnetisk stråling måles og dokumenteres. Dette skal typisk gøres i et såkaldt anekoisk radiodødt rum, hvor anekoisk betyder ekko frit, altså at der ikke er elektromagnetisk genklang i rummet. Et sådant rum er udstyret med absorbere, som absorberer elektromagnetisk stråling. Dette er for, at man nøje kan styre, at de elektromagnetiske felter efterligner felterne, der er forårsaget af stråling fra radiomaster. Test i sådanne rum foregår ved, at det udstyr, der testes (Equipment under test - EUT), påtrykkes et felt fra en antenne. Problemet med denne metode er, at antennen bestråler et stort område, hvoraf EUT kun udgør en brøkdel. Derved er der kun en brøkdel af effekten fra antennen, der rammer EUT. Resten af effekten afsættes i de absorbere, der er i rummet. Da de forstærkere, der benyttes til immunitetstest, ofte koster flere millioner, og da denne pris er proportional med den effekt, der skal bruges, vil det at teste ved højere feltstyrker kræve meget store investeringer i større forstærkere og derved forhøje prisen for en test til et niveau, som ikke er acceptabelt for de fleste elektronikproducenter. Samtidig er det niveau, der er fastsat som testniveau, baseret på typiske feltstyrker fundet i fx boligeller industrimiljø. Disse typiske feltstyrker er fastsat som værende god nok til det meste værdi, men er ikke tilstrækkelige til at sikre immunitet under alle forhold. Da disse niveauer er typiske niveauer, vil der selvfølgelig være steder, hvor der findes større feltstyrker. Dette kan blandt andet være ved radiosendere, Tv-master, radarstationer og nær mobiltelefoner. Fx svarer boligtestniveauet på 3 V/m til en mobiltelefon i cirka 3 meters afstand. Side 4

5 Figur 2 Eksempel på en immunitetstest. Det belyste område er angivet ved den blå kontur og EUT ved den røde kontur. Samtidig vil en immunitetstest i et anekoisk radiodødt rum kun eksponere EUT fra én side af gangen. Derfor skal EUT roteres manuelt og derefter testes igen. En udfordring kan især være at vise, om EUT er immunt ved bestråling ovenfra. De fleste produkter kan roteres, så de også belyses fra toppen, men for flere produkter kan dette ikke lade sige gøre, og da kalibreringen af rummet kun er valid med indstråling fra siden, vil et sådant produkt ikke kunne testes ovenfra. Detektering af immunitetsproblemer Den store udfordring i forbindelse med elektromagnetisk immunitet er at detektere funktionsfejl, når produktet er på markedet og bliver mødt af de felter, der er i den virkelige verden. Vi kender alle lyden af en mobiltelefon i stereoanlægget og/eller i PC-højttalerne enten derhjemme eller i bilen. Denne påvirkning er let at erkende, da den kan høres tydeligt. Det er langt sværere at detektere fejl, som foregår inde i maskiner. Det kan fx være, at der skabes støj, som forstyrrer data på harddisken i en computer, og som får den til at fryse, når disse data indlæses senere. Side 5

6 Reverb kammeret Et EMC-reverb kammer består af 5 primære dele: 1. Signalgenerator og forstærker 2. Sende- og modtageantenne 3. Et skærmet rum 4. En stirrer 5. Kontrolsoftware. Disse fem elementer udgør tilsammen et reverb kammer. Figur 3 Oversigt over et reverb kammer og dets delkomponenter. Signalgenerator og forstærker Signalgeneratoren og forstærkeren er de to enheder, der genererer de forstyrrende signaler. En signalgenerator kan generere svage signaler fra DC og op til 40 GHz. Den kan efterligne de forstyrrende signaler, der oftest ses ude i den virkelige verden i dette frekvensområde. Samtidig skal generatoren være i stand til at generere både amplitude og frekvensmodulation for at kunne efterligne de radiosendere, der findes overalt omkring os. For at signalerne fra generatoren er kraftige nok til at kunne forstyrre elektronik, skal de forstærkes. Derfor benyttes RF-forstærkere normalt med en udgangseffekt mellem 40 og 1000 W. Da det er svært at lave én forstærker til hele frekvensområdet, vil der typisk blive skiftet forstærker ved fx 1, 3, 6, 12 og 26 GHz. Altså ca. hver gang frekvensen fordobles. Sende og modtage antenner Det forstærkede signal fra generatoren sendes ud på en sendeantenne. Som med forstærkerne kan det ikke lade sig gøre at benytte den samme antenne i hele frekvensområdet, så derfor benyttes normalt logperiodiske antenner under 1 GHz og hornantenner over 1 GHz. Det er især vigtigt, at antennerne er dimensionerede til at kunne håndtere den store effekt, der sendes med, da de ellers vil Side 6

7 smelte eller brænde indre dele af. For at verificere at den frembragte feltstyrke er tilsvarende den ønskede, benyttes en modtageantenne til at monitorere feltstyrken i reverb kammeret. Figur 4 TV: Billede af logperiodisk antenne.. TH: Billede af to hornantenner. Skærmet rum Et reverb kammer er som sagt lavet til at kunne generere høje feltstyrker inde i kammeret. Derfor er det vigtigt at holde disse felter inde i kammeret. For det første fordi det er farligt for mennesker, hvis de bliver udsat for sådanne mængder af RF-energi og for det andet fordi, det er nødvendigt at holde energien inde i kammeret for at kunne generere så høje feltstyrker. Udover tætheden af kammeret, er størrelsen meget vigtig. For det første fordi kammeret skal være stort nok til, at EUT kan være i kammere og for det andet fordi, det stiller grænsen for den lavest brugbare frekvens (Lowest Usable Frequency - LUF), der kan testes med. For at reverb kammeret kan fungere korrekt, skal der være stående bølger inde i kammeret. Dette sker ved et antal resonansfrekvenser, og disse er bestemt i standarden IEC ved formlen: FF = 150 II 2 LL + MM 2 WW + NN 2 HH hvor I, M og N er positive heltal og minimum to skal være større end nul. L, W og H er henholdvis længde, bredde og højde. I standarden er det bestemt, at et reverb kammer er egnet til test, når der testes ved en frekvens, der er større end de første 60 resonansfrekvenser. Reverb kammeret i Århus er 10.7 x 12.7 x 6.5 m, og derved bliver den lavest brugbare frekvens for en standard test cirka 65 MHz. Stirrer En stående bølge kaldes stående, fordi den er stationær. Det vil sige, at selvom signalet fra generatoren varierer med en frekvens på 3 GHz, så vil den stående bølge have maksimal styrke i visse punkter og minimal styrke i andre punkter. I et skærmet rum er disse punkter altid de samme ved en bestemt frekvens. Ved at ændre på rummets geometri kan disse punkter, med maksimal og minimal feltstyrke, flyttes i rummet. Derved kan man ved at flytte stirreren ( omrøreren ) ændre på, hvilke dele af EUT der bliver eksponeret for den høje feltstyrke og derved immunitetstestet. Når reverb kammeret bliver kalibreret, vurderer man, om der ved hver frekvens er blevet benyttet tilstrækkeligt antal stirrer positioner til, at hele EUT er blevet eksponeret. Normalt vil dette være 12 unikke stirrer positioner. Side 7

8 Figur 5 TV: Billede af den bevægelige væg der udgør en stirrer.. TH: Diagram der viser bevægelsen af stirreren.. Kontrol software Til at styre generator, forstærker og stirrer skal der bruges software. Dette er for at sikre, at EUT bliver eksponeret for den rigtige feltstyrke. Samtidig er det vigtigt at samle resultater op under test. Derfor kan der laves forbindelser til EUT, så der kan laves en logfil, der registrerer, hvad der foregår inde i EUT ved de respektive frekvenser. En test kan også udføres uden denne funktionalitet ved blot at observere EUT med et specialskærmet videokamera, men ved komplekse produkter kan det hjælpe til at forklare de fejl, der ses på produktet og til at dokumentere eventuel respons. Sådan virker et reverb kammer Man kan sammenligne virkningen med det at bevæge et stempel op og ned i vand. Hvis det gøres på en stille sø, kan man se, at bølgerne bevæger sig væk fra stemplet i ringe. Gør man det samme i et badekar, vil bølgerne blive reflekteret fra karets kanter og mønsteret mere kaotisk med bølgetoppe, der opstår forskellige steder. Men observerer man nærmere, vil man se, at toppen kommer og går med en fast periode, og hvis man sætter en skrå plade - en stirrer - ned i vandet, ændres billedet af, hvor toppene opstår. Det vil sige, at placeres pladen i tilstrækkelig mange skrå positioner, vil man til sidst have haft toppe alle steder i karret. Når denne vandanalogi overføres til funktionen i et reverb kammer, er karret det skærmede rum, der ydermere består af en sendeantenne (stemplet), en modestirrer (den skrå plade) og en modtageantenne, der afslører, om der har været toppe nok det vil sige, om feltstyrken har været høj nok alle steder i kammeret. Side 8

9 Elektromagnetisk indstrålet immunitet Indstrålingsmekanismer For at kunne forstå formålet med at foretage en test i et reverb kammer er det vigtigt at forstå den fejlmekanisme, der testes. Figur 6 Principdiagram for et elektronisk apparat der bliver udsat for elektromagnetisk interferens. På Figur 6 er et elektromagnetisk interferensproblem skitseret i en principtegning. EUT bliver her betragtet som komponenterne placeret centralt i produktet, selvom den samme øvelse kunne laves fx for strømforsyningen. Øverst og nederst til højre ses henholdsvis en feltbåret interferenskilde og en ledningsbåret interferenskilde. Tallene i cirklerne viser de forskellige veje, som den elektromagnetiske energi kan tage ind i apparatet. Nummer 1 viser ledningsbåret interferens, som bliver dæmpet af netfilteret og strømforsyningen, før det kommer ind til komponenterne. Nummer 2 viser, hvordan et luftbåret felt kobler til input-/output-kabler og strømforsyning og derefter følger samme rute som i nummer 1. Nummer 3 bliver indstrålet direkte ind i produktet. Her bliver det først dæmpet af kapslingen på produktet, bliver modtaget af en printbane, som derefter leder det ind til komponenterne. Nummer 4 viser samme scenarie som 3, men hvor signalet bliver opfanget af nærliggende printbaner, som derefter kobler til banerne, der er forbundet direkte til komponenterne, som bliver forstyrret. De kan udtrykkes som formler ved: 1) Prec = PCI ALF APSU 2) Prec = ERI + AFcable ALF APSU 3) Prec = ERI Ashielding + AFtrace Apath 4) Prec = ERI + Ashielding + AFtrace + CFtrace Her er - Prec den modtagede effekt - PCI er den ledningsbårne forstyrrende effekt - ALF er dæmpningen i kablet - APSU er dæmpningen i strømforsyningen - ALF er dæmpningen i linje filteret - AFcable er antennefaktoren for kablet - AFtrace er antennefaktoren for printbanen - CFtrace er koblingen mellem den opfangende printbane og den forstyrrede printbane - ERI er feltstyrken for det indkomne felt. Side 9

10 Den elektromagnetiske effekt på indgangen af chippen vil forårsage en spænding og en strøm, som forstyrrer nyttesignalet. Da de fleste interne elektriske signaler i produkter benytter spænding, bruges det her for at illustrere typiske forstyrrelser. Et signal Vsig bliver brugt til at styre, hvor længe en servo skal køre. Samtidigt forstyrres dette af et højfrekvent signal VEMI. Signalerne ses på Figur 7. Figur 7 Princip diagram for et elektronisk apparat der bliver udsat for elektromagnetisk interferens. Fordi indgangen på komponenten ikke kan skelne mellem det ønskede signal og forstyrrelsessignalet, vil forstyrrelsessignalet blive overlejret - altså lagt til - det ønskede signal. Dette kan ses på Figur 8. Da der sidder en diodeovergang i transistoren, vil det højfrekvente forstyrrelsessignal blive ensrettet og derved konverteret til DC (jævnstrømssignal). Derved bliver det signal, som chippen registrerer som det der er vist på Figur 9. Figur 9 Nyttesignal med overlejret forstyrrende signal Figur 8 Ensrettet spænding. Dette kan have mange uønskede effekter. For det første, hvis signalet til chippen er digitalt og derved kun styrer, om servoen er tændt eller slukket, skal tærskelværdien for tændt være større end spændingen VEMI, ellers vil servoen være tændt længere, end det var tiltænkt og derved risikeres mekaniske fejl. Hvis signalet derimod er analogt og derved også regulerer hastigheden på servoen, vil den mekaniske fejl blive endnu større. Side 10

11 HALT High Accelerated Limit Test Når der udføres godkendelsestest, vil man normalt teste op imod en grænseværdi for at demonstrere, at produktet overholder de immunitetskrav, der er stillet til produktet. Dette er et tal som fx kan stå i manualen til produktet, så brugeren er klar over, hvad produktet kan modstå. Der er altså tale om en test, der er relateret til kravspecifikationen for produktet. Når man i stedet tester efter HALT-filosofien, handler det om at afdække robustheden. Dette er ikke et tal, som kan skrives ned, men er i stedet en test, som afdækker, hvordan brugeren vil opleve brugen af produktet. Dette gøres blandt andet ved at teste langt ud over de specifikationer, der normalt er givet, fordi disse specifikationer er baseret på en typisk bruger. Altså en middelværdi for det miljø, som produktet vil opleve og ikke en worst case. Formålet med en HALT-test er derfor ikke, at man skal bestå testen, men i stedet at der skal findes så mange fejl som muligt i produktet, inden det sættes i produktion. Derefter kan disse fejl undersøges, og det kan vurderes om cost/risk faktoren retfærdiggør, at man udbedrer denne fejl. Derved kan man - for relativt små omkostninger - producere et produkt, som lever op til kundens forventninger. Dette er selvfølgelig en forenklet betragtning af HALT-testfilosofien. Fx defineres i IEC flere klasser indenfor de accelererede test: A) Kvalitative accelererede test: Fokus på at finde potentielle design- og produktionsfejl, fx hvor der testes langt over specifikationerne. B) Kvantitative accelererede test: Fokus på produktets formåen, når det næsten er udtjent, fx hvor der først testes mekanisk vibration og derefter testes EMC. C) Kvantitative tids- og event kompressionstest. Fokus på levetid og nedslidning, fx hvor hyppigheden af et knaptryk øges kraftigt, uden der trykkes hårdere. Figur 10 Illustration af produktegenskaber, når det er nyt og næsten udtjent. Produktet bør leve op til kundens forventninger, selv når det næsten er nedslidt. Figur fra Peter Rimmen EMC HALT HALT-filosofien har været brugt i mange år i fagområdet miljøtest og er nu ved at vinde indpas til EMC-fagområdet. Her er der primært tale om test af typen A. Det vil sige test, hvor det undersøges, hvilke produktfejl der kan opstå i ekstreme situationer, når produktet er nyt. Dette gøres, da det ofte er disse fejl, der også viser sig hos kunderne, når produktet begynder at bliver slidt. DELTA benytter reverb i denne sammenhæng for at dokumentere eventuelle EMC-svagheder i produkterne, da dette er langt billigere end at håndtere tilbagekaldelser fra markedet. Det skal dog tilføjes, at EMC-HALT ikke kun er luftbårne test, men at også inducerede spændingsimpulser, burst, surge, ESD og hårdere typer af transienter benyttes. Side 11

12 Det er vigtigt at forstå, at HALT-processen er iterativ. Det vil sige, at der testes og findes fejl, som derefter rettes, så der igen kan testes og findes nye fejl. Denne proces stopper først, når margin mellem det opnåede robusthedsniveau og det forventede miljø er så stor, som det er praktisk muligt. Derfor er formålet med HALT-test at gennemføre de test, som hurtigt og billigt finder de svageste punkter i produktet, som er relateret til brugen i den virkelige verden. Den endelige margin skal som minimum dække komponentvariationer, følsomhedsvariationer som funktion af ændrede miljøpåvirkninger (andre end den/de der testes for), nedslidning af produktet over tid og uventede variationer i produktet en slags six-sigma. HALT-processen har følgende faser: 1) Testen skal finde operationelle- og destruktionsgrænseværdier. Stressniveauet for hvert testet parameter og kombination af parametre skal derfor øges, indtil produktet først stopper med at fungere korrekt og derefter permanent skades. 2) Når en grænseværdi for en parameter eller kombination af parametre er fundet, skal testen fortsætte til den næste højere grænseværdi af samme. Dette fortsættes, indtil en fejlanalyse viser, at der findes irrelevante fejl. Tidligere fejl kan blive midlertidigt repareret for at fortsætte testen. 3) Kombinationer af flere stressparametre skal benyttes, da flere stressparametre samtidigt er mere skadelige end én parameter ad gangen. Dette kan fx være at udsætte EUT for burst under en indstrålingstest i reverb kammeret. 4) Alle fejl skal analyseres, og de følgende spørgsmål besvares: A: Er det muligt at dette kunne ske under brug i den virkelige verden? B: Hvordan kan root cause (fejlårsag) til denne fejl blive elimineret? 5) Root cause til alle fejl, hvor svaret til spørgsmål A er Ja skal elimineres i henhold til svaret til B. Marginen mellem produkts grænseværdi fra specifikationen og den operationelle eller destruktionsgrænseværdien skal ikke tages i betragtning i denne vurdering. Formålet er at øge denne margin mest muligt. 6) HALT-processen gentages iterativt til analysen fra punkt 4 viser, at der ikke længere findes fejl, som er relevante for det forventede brugsmiljø, og grænserne for teknologier, produktionsprocesser og materialer er nået. 7) Når root cause er fundet for alle relevante fejl og er blevet eliminerede ved at have implementeret korrekt design, procesforandringer og produktionsmetoder, vil det være fordelagtigt at gentage en HALT-test. Hvis denne nye HALT-test viser vedvarende problemer, skal processen gentages indtil tilstrækkelig margin (se pkt. 6) er opnået. HALT-test har følgende fordele: - Der spares signifikante beløb på reklamationer og serviceomkostninger. - Der vil være kortere tid til markedet i forhold til traditionelle test. - Selvtillid og indblik bliver større ved introduktion af nye produkter. - Der opnås stor margin i forhold til stressniveauet i det operationelle miljø. - Der er større mulighed for at analysere fejl fra markedet. - Produktet vil være mere modent fra dag ét. - Kunderne vil opleve produktet som mere robust og vil dermed være mere tilfredse. HALT- testen benyttes ofte på prototyper, men har også vist sig yderst brugbar til at finde fejl på produkter, der allerede er på markedet. Hvis der er store reklamationsomkostninger i forbindelse med bestemte produkter, kan en HALT-analyse afklare, om disse kan udbedres i det nuværende produkt, eller det skal udfases og et nyt mere robust produkt introduceres. Side 12

13 Standarder og harmoniserede test For EMC findes der et hav af standarder. For produkter, der indeholder elektronik, er proceduren normalt, at der vælges en harmoniseret generisk standard (fx EN ) eller en produktstandard (fx EN 55022). Disse standarder peger på de testmetoder, der er godkendt til at eftervise de grænseværdier, som er beskrevet i den generiske standard eller produktstandarden. Brugen af reverb kamre til at teste immunitet er blevet vedtaget i IEC som standarden IEC , men da testmetoder ikke er harmoniserede standarder, kan den endnu ikke bruges til at eftervise overensstemmelse med EMC-direktivet. Dette sker først, når den bliver inkluderet som reference i de generiske standarder eller relevante produktstandarder. Det skal dog siges, at i de nye versioner, som for tiden cirkulerer som draft standarder, er reverb medtaget som reference i de generiske standarder. Derved forventes det, at reverb kamre snart kan bruges til at demonstrere overensstemmelse med EMC-direktivet i forhold til feltbåret elektromagnetisk indstråling. Det er dog vigtigt at skelne mellem de regulatoriske - altså de lovpligtige test - og de vejledende test. Fx benytter både fly-, bil- og rumindustrien deres egne standarder til at kvalificere udstyr, da de har erfaringer for, at de normale regulatoriske standarder ikke har tilstrækkeligt høje krav til, at elektronikken fungerer korrekt i disse miljøer. Eksempler på disse standarder er: - GMW EMC-CS MIL-STD-461F - RTCA DO-160E - ISO ISO WD SAE J Figur 11 Eksempler på immunitetsgrænser fra den automotive industri. At disse standard tester langt over de normale immunitetskrav kan fx ses af standarden for Ford: EMC-CS Denne standard kræver, at der testes immunitet optil 300 V/m, medmindre det drejer sig om specielle sikkerhedskritiske dele, så skal der testes til 600 V/m. For at sætte dette niveau i perspektiv kræver de fleste harmoniserede standarder 3 eller 10 V/m. Side 13

14 Eksempel 1: Switch mode AC/DC-konverter It-infrastruktur bliver en mere og mere integreret del af vores hverdag og er en nødvendighed for, at samfundet fungerer. DELTA lavede i 2013 en undersøgelse, der skulle afdække disse It-systemers modstandskraft overfor elektromagnetisk støj. Både for normale miljøer og for ekstreme miljøer, såsom et elektromagnetisk angreb. Systemet bestod af en server, LAN-router og switch, en converter til optisk fiber samt en AC/DC-strømforsyning. Figur 12 Oversigt over systemet der benyttede AC/DC konvertere. Når der testes for ekstreme miljøer, kaldes dette en HALT-test. Udover elektromagnetiske angreb kan dette fx være, hvis udstyret bliver stillet udendørs nær jernbaner i bestemte industrielle miljøer, men også når der er mobiltelefoner og radiosendere tæt ved apparatet. En af de (dengang) lidt overraskende konklusioner var, at de første dele af systemet, der fejlede, var de kommercielle strømforsyninger, der konverterer fra netspændingen på 230 VAC til den af produktet brugbare spænding på fx 5 VDC. Disse blev påvirket, da feltstyrken var lidt højere end testkravet fra de harmoniserede standarder på 10 V/m. DELTA har siden i flere lignende sager erfaret, at dette er et normalt fænomen. Nogle strømforsyninger lukker kun ned så længe, de befinder sig i feltet, men der findes også strømforsyninger, som bliver permanent skadede eller først genstarter, når de bliver slukket og tændt igen. Der findes særligt forstærkede versioner af sådanne strømforsyninger, som er i stand til at modstå væsentligt højere feltstyrker, men de koster mere, da der ikke er så stor efterspørgsel på disse. Problemet kan dog også afhjælpes med et korrekt design, der ikke behøver at være dyrere. Da strømforsyningerne var forbedret, kunne testen fortsætte til kraftigere feltstyrker. Her var det blandt andet Ethernet kommunikationen til LAN-routeren, der fejlede. Dette eksempel viser, hvorledes et svagt punkt lige over minimumskravene kan afsløres ved brug af HALT. Side 14

15 Eksempel 2: Mobilsenderimmunitet Der kommer flere og flere trådløse sendere i vores samfund. Dette er ikke kun radio- og Tv-master, men også mobiltelefoner og elektroniske enheder med Wi-Fi og Bluetooth indbygget. Det spås, at den næste store teknologiske forandring vil blive drevet af det såkaldte internet of things (tingenes internet). Dette består groft sagt i, at alle elektronikprodukter skal være forbundet til internettet med en unik adresse. Ved at kende denne adresse kan man oprette forbindelse til produktet og ændre på indstillinger eller læse data (hvis man har rettigheder). Dette betyder, at flere og flere produkter vil komme til at indeholde trådløse sendere. Da de trådløse sendere bruger elektromagnetiske bølger til at kommunikere med, har de tilladelse til at udstråle mere end andre produkter på deres kommunikationsfrekvenser. Dette er en jungle af regler, men groft sagt kan man sige, at den øvre grænse for den genererede feltstyrke er sat af ICNIRP-grænserne, som er det niveau, hvor de elektromagnetiske stråler bliver skadelige for mennesker. Fx er dette 61 V/m eller mere, når frekvensen er højere end 10 MHz. Figur 13 ICNIRP grænseværdier for maksimalt genereret middelværdi feltstyrke. I en test blev 5 produktet testet for, hvordan de blev påvirket af 5 forskellige trådløse sendere i både 5 og 10 cm afstand. 40 % af testtilfældene viste, at produktet ikke fungerede som tilsigtet, og 4 ud af de 5 apparater blev påvirket af 1 eller flere sendere. Der var altså kun 1 produkt ud af 5, som var upåvirket. I samme undersøgelse blev signalerne fra de trådløse sendere karakteriseret og efterlignet af en generator, der blev tilsluttet reverb kammerets antenne. Reverb kammeret kunne fremkalde de samme respons som dem, der blev set ved testen med de trådløse sendere. Forskellen er, at testen i reverb kammeret er langt mere repeterbar, kan gennemføres langt hurtigere og kan afdække mange forskellige teknologier på kort tid. Side 15

16 Eksempel 3: Forstyrrelser af operationsforstærker Operationsforstærkere eller opamps bruges ofte i analog elektronik til fx audio- eller sigalbehandling. En af udfordringerne ved disse, set fra et EMC-perspektiv, er, at deres kredsløb indeholder ulineære komponenter (dioder og transistorer). Dette giver mulighed for en hel række af eftervirkninger, hvis ikke kredsløbets immunitet overvejes i designfasen. Indstråling kan forsage ændringer i DC spændinger gennem demodulering af HF-forstyrrelser, flytte arbejdspunkter, destabilisere udgangssignaler ved at forstyrre feedback linjer osv. For at demonstrere disse fænomener er kredsløbet, vist på Figur 14, realiseret som vist på Figur 15. Figur 14 TV: Testkredsløb. TH: Diagram over PCB benyttet til at opbygge testkredsløb. Af Figur 15 ses, hvordan signalvejen ser ud på PCB et. Har man lidt forståelse for, hvordan man laver et godt PCB-design med henblik på EMC, er det nemt at se, hvordan der kan opstå problemer (afklaring af dette ligger dog uden for scope af dette TEK notat). PCB et placeres i et reverb kammer og to power detektorer kobles ind i kredsløbet. Derved kan effekten måles under testen. Figur 15 Det realiserede kredsløb. BFM004 og BFM005 er power-detektorerne Der er påtrykt et felt på 10 V/m. Dette giver op til 0,3 mw målt over Rsens2 i Figur 14. Ved at benytte Joules lov kombineret med Ohms lov kan strømmen i denne modstand findes. I 50 Ω svarer dette til 0,077 ma, da PP = II 2 RR II = PP RR = 0,3 mmmm 50 Ω = 0,077 mmmm Da den strøm, som løber gennem Rsens2, også løber gennem R3 på 2,1 kω, svarer det til en input spænding på UU = RR II = 2100 Ω 0,077mmmm = 162 mmmm Hvis det analoge nyttesignal er under dette niveau, er der altså behov for et forbedret design i forhold til den indstrålede elektromagnetiske støj. Derved er det afdækket, at det ikke kan forventes, at kredsløbet fungerer korrekt for den givne applikation. Side 16

17 Konklusion I dette TEK notat beskrives, hvad et reverb kammer består af sammen med teori om, hvordan den kan benyttes til at analysere EMC. Først blev problemstillingen med indstrålet immunitet beskrevet, derefter hvordan reverb kammeret udnytter stående bølger til at generere høje feltstyrker, og hvordan dette kan bruge til den indstrålede immunitet. Til sidst blev der givet eksempler på de forskellige brugsscenarier, hvor et reverb kammer har bidraget med data til at fejlfinde og karakterisere testobjekter. Ved eksempler blev der demonstreret scenarier, hvor et reverb kammer er blevet brugt til at finde svage punkter i et design af en switch mode AC/DC-konverter. Disse fejlede ved feltstyrker, der kun var en smule højere end de harmoniserede standarder foreskriver. Dette har vist sig at være et generelt fænomen for denne type produkter. Nogle produkter selv lukker ned, så længe de er udsat for feltet. Andre reetablerer først korrekt funktionalitet, når de bliver slukket og tændt igen, og den sidste gruppe bliver permanent skadet. Det er ligeledes blevet vist, hvorledes et reverb kammer kan bruges til at simulere et miljø, der består af påvirkning fra flere forskellige radiosystemer, såsom mobiltelefonnetværk og gøre det repeterbart. Derved kan de elektroniske produkter få testet, om de stadig kan forventes at have korrekt funktionalitet i nærheden af mobile radiosendere. Da reverb kammeret kan genskabe komplekse elektromagnetiske miljøer, udmærker det sig til at lave test, der bruger metodikken fra termomekanisk HALT, hvor det primære formål at afdække svagheder i design og sikre bedst mulig funktionalitet for produktet, inden det bliver sendt på markedet. Dette kan især gøres på baggrund af de tidligere erfaringer fra fx militær-, automotive- og rumfartsindustrierne. Side 17

18 Om TEK notat DELTA udgiver regelmæssigt rapporter i TEK notat-serien for at kommunikere den nyeste internationale viden indenfor vores fagområder. Formålet er at understøtte en fremrykning af tidspunktet, hvor nye teknologiske landvindinger giver et forretningsmæssigt afkast til danske virksomheder. Om DELTA DELTA hjælper sine kunder med effektiv anvendelse af avancerede teknologier, der skal opnå kommerciel succes i en kompleks verden. Vi varetager design, udvikling, test, certificering og rådgivning inden for elektronik, mikroelektronik, softwareteknologi, lys, optik, akustik, vibration og sensorsystemer. DELTA er ét af Europas førende udviklingshuse samt ét af de ni Godkendte Teknologiske Serviceinstitutter (GTS) i Danmark. Vores 250 medarbejdere i Danmark, Sverige og Storbritannien samarbejder med kunder i over 50 lande. i R.D. Leach og M. B. Alexander, Electronic systems failures and anomalies attributed to electromagnetic interference, NASA Reference publication 1374, Juli 1995 Side 18