EMC HALT. Introduktion. Forskelle mellem kvalifikationstest og HALT-test. Valg af indkoblingsmetode

Transkript

1 EMC HALT Af Per Thåstrup Jensen, Senior Technology Specialist, DELTA Introduktion Ud over de traditionelle miljøtest såsom vibrations- og fugtighedstest tilbydes nu også miljø-halt (Highly Accelerated Life Test undertiden kaldet High Amplitude Limit Test). Miljø-HALT-test kombinerer flere testparametre på én gang, og testen er ikke en kvalifikationstest, idet testniveauet er øget i forhold til påvirkningerne af det testede produkts påtænkte anvendelse. En klassisk HALTtest har alene til formål at afsløre de svage punkter, forbedre konstruktionen og eventuelt opnå en bedre robusthed for det testede produkt. HALT-metoden er undersøgt ved hjælp af EMC-parametre for eksponeringen. Denne artikel beskriver i korte træk de vigtigste punkter og erfaringer med EMC HALT. Forskelle mellem kvalifikationstest og HALT-test EMC-immunitetstest gennemføres normalt for at verificere, om et testobjekts immunitetsniveauet ligger inden for teststandardens krav. Testen fortæller dog ikke, om immuniteten er tæt på kravet, eller om testobjektet også kunne tåle et eksponeringsniveau, der var 10 gange højere, uden at fejle. Omfanget og formålet med HALT EMC-test er at fremkalde mulige fejlmekanismer, der kan udløses af elektriske fænomener i nærheden af testobjektet. HALT-proceduren forudser, at hvis konstruktionen indeholder en fejlmekanisme, så vil den i sidste ende blive udløst, således at testobjektet ikke kan udføre sin tiltænkte funktion. Hvis denne mekanisme kan afsløres og udbedres i forbindelse med en HALT-test, forventes det, at produktets iboende immunitetsniveau er blevet forbedret. HALT-testen forholder sig ikke direkte til spørgsmålet, om testparametrene rent faktisk har den testede styrke i det påtænkte brugsmiljø. Klassisk undersøgende EMC-test (der udføres efter relevante teststandarder, men ved højere testniveauer) kan udføres for at finde den grænseværdi, hvor testobjektet reagerer. Disse test giver også immunitetsmarginen. Hvis marginen er stor, kan testobjektet tåle høje eksponeringsniveauer under produkttesten. Der er dog ingen garanti for, at testobjektet er elektromagnetisk robust, hvis det udsættes for lignende elektromagnetiske forstyrrelser i installations-/brugsmiljøet. Der kan være nogle indkoblingsbaner, der ikke identificeres i forbindelse med standardtest. Valg af indkoblingsmetode HALT-test er en metode, der understøtter produktets udviklingsfase. Testen bør om muligt være nem og hurtig og skal også kunne udføres på den komplette konstruktions underenheder og dele. Indkoblingen til den foreslåede test sker ved hjælp af felt- eller kapacitiv kobling af testsignalet for at sikre brugervenligheden. Der er ikke brug for indkoblingskredsløb eller lignende til at indkoble signalet. Signalet indkobles ved hjælp af en særlig arbejdsbænk, hvor testsignalet indkobles via en stripline-kobling til testobjektet. Det er også muligt at indkoble testsignalerne ved hjælp af kondensatorkobling til de forskellige kabler og ledninger, men det tager længere tid og er ikke beskrevet her. Kabelindkobling af testsignalet kan betyde, at det ikke indkobles til potentielt sårbare dele af kredsløbet, der måske ikke befinder sig tæt på kabeltilslutningerne. En feltindkobling påvirker hele konstruktionen, uanset om der er kabler eller ej.

2 Feltkoblet indkobling og højpasfilter Når et testsignal indkobles ved hjælp af kapacitiv kobling eller elektrisk feltkobling, medfører det generelt en grov højpasfiltrering af testsignalet. Hvis der bruges impulssignaler til testen, overføres kun stejlt stigende og faldende gradienter til det testede udstyr. Højpasfiltreringen er ikke tilsigtet, men et resultat af de fysiske forhold i forbindelse med kapacitiv kobling. Det indkoblede signals gradient (dv/dt) påvirker testniveauet direkte. Jo højere gradient og jo højere testamplitude, jo mere signal overføres der til testobjektet. Det betyder også, at testsignalet ved indkobling af lange signaler bør indeholde meget stejle (stor dv/dt) signaler, og gradienten bør vare så længe som muligt. En stor gradient med lang varighed betyder, at signalamplituden skal være meget stor. Specialiseret testgenerator En testgenerator, der kan producere en stor signalamplitude og meget hurtige impulser, kan findes blandt de EMP-generatorer (ElectroMagnetic Pulse), som fremstilles af producenter til specialiseret militært testudstyr. Til disse undersøgelser producerede DELTA dog en specialiseret generator, der består af en højspændingskilde, et batteri af lagerkondensatorer, et oliefyldt gnistgab og en blumlein. Blumlein er en koaksialkabelkonfiguration, der producerer en trapezimpuls med meget stejlt stigende og faldende kanter. Blumlein kobles til generatorudgangen og modificerer impulsens form. Frembringelsen af testsignaler med 20 kv amplitude i en belastning på 50 kræver en spidseffekt på ca. 8 MW. De testsignaler, der udvikles af DELTA, er impulssignaler med stige- og faldtider på mindre end 1 ns. Spidsamplituden er ca. 20 kv. Impulsgeneratoren kan frembringe impulser med en hastighed på Hz, til en vis grad afhængig af amplituden. Se figur 1. Det meget hurtige signal med høj amplitude er et velegnet signal til kapacitiv indkobling, eftersom dv/dt er høj, og amplituden er stor. Figur 1: To testsignaler bruges til EMC HALT, målt med 200 MHz-båndbredde via 230:1-deler.

3 Opstilling i praksis og test Det kræver ingen detaljeret viden om testobjektet at indkoble et testsignal ved hjælp af kapacitiv kobling eller elektrisk feltkobling. Indkoblingen kan ske ved bare at anbringe testobjektet i en speciel testjig: Faraday-buret. Buret kan bygges ud fra beskrivelserne i IEC/EN , selvom denne standard primært beskriver måling af den elektromagnetiske udstråling. Et principeksempel af buret vises i figur 2. Som et supplement til standarden er buret udstyret med en stripline-plade, der er anbragt under låget. Denne stripline skal være elektrisk godt isoleret for at muliggøre 20 kvimpulssignalerne. Yderligere tilbehør til den praktiske test i buret er lysnetfilter, et trådnetsvindue, der er indbygget i bunden af buret, og filtrerede signalkonnektorer til forbindelsen mellem testobjektet og ekstraudstyret. Ved hjælp af vinduet og signalforbindelserne er det muligt at overvåge testobjektets funktion under eksponeringen. Se figur 3. Det er også muligt at udføre kabelindkobling af testsignalet med den mere klassiske metode ifølge IEC/EN (Immunitetstest for hurtige transienter/bygetransienter). Bemærk dog, at testspændingerne er ca. 20 kv, og at der derfor kan være brug for yderligere isolering med den kapacitive koblingsklemme for at undgå direkte overslag til ledninger og ledere. FRA IMPULS- GENERATOR HØJSPÆNDINS- TERMINERINGS- SKINNE ISOLERINGS- STØTTE ALUSTRIP TESTOBJEKT 30 mm TYKT STYROPOR Figur 2: Faraday-bur konstruktionsprincipper.

4 Figur 3: Faraday-bur, der viser lågets inderside med 20 kv stripline (t.v.) og testobjektet (elektronisk pære) anbragt i arbejdsbænken (t.h., låget fjernet). Testen udføres ved at sætte testobjektet i drift og starte impulsgeneratoren. Testamplituden øges trinvist, og testobjektets funktion overvåges. I en klassisk, mekanisk HALT-test rapporteres mekaniske skader som designsvagheder. Typiske reaktioner er komponenter, der falder af, printkort, der går i stykker, eller forstyrrelser, der skyldes varme eller kulde. Typiske reaktioner af EMC HALT med ovennævnte metode er ikke totalskade, men en vis grad af elektrisk fejlfunktion. Hver observeret reaktion anses som en fejl, der eventuelt kan løses og forebygges med det rigtige design, før konstruktionen sendes ud på markedet. Hvis HALT-cyklen gentages, når kredsløbene er blevet forbedret, vil det gradvist give en mere robust konstruktion. Praktiske erfaringer DELTA har brugt EMC HALT til undersøgende test af mange forskellige slags apparater og moduler. Udstyret har bl.a. været omformere, måleudstyr til temperatur og flow, drev med variabel hastighed og belysning. De observerede fejlmekanismer er: Reaktioner fra højimpedanskredsløb såsom LCD-displays, CMOS-gates, måle- og konditioneringsforstærkere osv. Indgangs- og udgangsporte er mættet af feltet af elektriske impulser fra eksponeringen. Afhængigt af kredsløbet (evt. kontrolsoftware) kan utilsigtet indstilling af porte medføre fejlfunktion i en periode eller endda beskadige kredsløbene. LCD-displays kan være tomme eller tændes (displayet bliver sort) og kan holde denne tilstand, indtil strømmen har været afbrudt i en længere periode (>24 timer). Det konkluderes, at testen kan påvirke halvlederdele, der ikke er tilgængelige via kabler eller ledninger, men kan indgå i printkortets eller mikrochippens layout. Noget af det testede udstyr restituerede helt efter testen, når strømmen til udstyret havde været afbrudt i en uge. Påvirkningen af omformere eller disses styrekredsløb kan beskadige strømtransistorer eller motorstyringer. Tænding af en komplet omformerbro i en omformer kan medføre en kortslutning fra + til på strømkilden, og strømtransistorerne kan overophedes og ødelægges. I forbindelse med den elektroniske pære blev omformeren kraftigt påvirket af testen, og omformeren udbrændte næsten med deraf følgende røg og funktionstab.

5 Konklusion Det konkluderes, at EMC HALT er et effektivt værktøj til udredende EMC-immunitetstest. Metoden har den fordel, at indkoblingen kan ske til komplette (små) produkter eller til underenheder og dele. De færdige produkter behøver ikke at være tilgængelige eller færdige. Dermed er EMC HALT et analyseværktøj til hardwareudviklere under hele designfasen. En anden fordel er den kapacitive indkoblingsmetode, der er lig med brugervenlighed. Det betyder dog også, at sårbare dele af printkortet eller kredsløbet udsættes for testsignalerne. Dette er en fordel, for så vidt angår en test med hurtige transienter, hvor der kun foretages kabelindkobling. Det understreges til slut, at EMC HALT ligesom den klassiske miljø-halt-test er beregnet til at afsløre fejlmekanismer eller potentiel modtagelighed over for forstyrrende signaler selv på mikrochipniveau. Gates og porte, der får lov at flyde elektrisk og ikke omhyggeligt frakobles, kan reagere på impulssignalet. Dette kan medføre reaktioner, som kontrolsoftwaren ikke har forudset på samme måde som i brugsmiljøet. Detektering og fjernelse af disse reaktioner før udsendelse af produktet kan medføre væsentlig færre rapporterede hændelser eller fejl fra markedet. Dette er en klar forbedring af produktkvaliteten, som kunderne oplever den.