Använd rätt metallburkar och -klämmor av standardtyp för att skydda mot EMI/RFI

Dagens kretsar simmar i ett hav av elektromagnetisk (EM) energi med mycket varierande intensitet och frekvens. Som en följd är EM-störningar (EMI), radiofrekvensstörningar (RFI) - ofta sammantaget benämnda som elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - genomgripande anknutna fenomen som påverkar kretsprestanda och formellt produktgodkännande. Även om dessa har orsakat problem sedan elektronikens tidiga dagar, utgör de nu allt större utmaningar till följd av den stora tillgängligheten av trådlösa anslutningar, användning av högre frekvenser, känsligare kretsar och lägre spänningsmatningsnivåer.

Störningar som påverkar en krets kan bero på både avsiktlig och oavsiktlig utsändning av elektromagnetisk energi i närheten och kan orsakas av både naturliga och konstgjorda källor. Kretsen i sig kan också avge oönskad eller oacceptabelt hög EM-energi som påverkar elektronik i närheten. Bland de vanligaste lösningarna för att mildra EMI/RFI-energiproblemen är att lägga till skärmar runt de kritiska delarna av kretskortet eller till och med en hel modul. Under arbete på kopplingsdäck och prototypfaser kan denna avskärmning improviseras för att förstå, dämpa och lösa problemet. Sådana improviserade lösningar är dock inte kompatibla med en tillverkningsmiljö eller med test-, felsöknings- och reparationsstationer.

Denna artikel identifierar de grundläggande utmaningarna för EMC på kretskort, moduler och färdiga produkter. Sedan undersöker vi skärmningslösningar frånHarwin som är tillgängliga i handeln och hur man använder dem för teknisk effektivitet och produktionskompatibilitet.

EMC-problem har två olika sidor

Elektrisk störningsenergi kan färdas från en källa till ett ”offer” krets via ledning eller strålning (figur 1). I ledningsfallet går energin genom ledare som sladdar och kablar. Konstruktörerna dämpar vanligtvis denna energi med ferritpärlor, filter, drosslar och andra passiva komponenter. I det utstrålade fallet går energibanan genom luft eller vakuum från källa till offer, utan metallledare.

Figur 1: Oönskad ledningsburen EM-energi kan komma in eller ut ur ett system via kabel eller strålning genom luft eller vakuum. (Bildkälla: Slideshare.net, “Overview of EMI/EMC”)

Dessa oönskade effekter kan ibland minskas genom att omplacera komponenter vid källan eller offret, men detta är en tidskrävande process som vanligtvis är opraktisk, omöjlig eller ineffektiv. På liknande sätt är filtrering inte ett genomförbart alternativ eftersom mycket av den skadliga EMI/RFI-energin ligger inom det relevanta radiofrekvensbandet (RF) och en sådan filtrering skulle också minska styrkan hos den önskade signalen, vilket komprometterar systemets prestanda.

I vissa utstrålade EMI-fall används ibland en teknik som kallas ”spread spectrum” för att minska de högsta EMI-emissionerna vid arbetsfrekvensen. I detta tillvägagångssätt "vacklar" kretsens klocka slumpmässigt runt sin nominella frekvens, som en form av frekvenshoppning. Detta sprider RF-energin över spektrat, men det minskar inte den totala energin som emitteras (figur 2).

Figur 2: Modulering av en klocka sprider RF-spektrumet och minskar därmed toppenergin men minskar inte den totala mängden oönskad EM-energi; dämpning av topparna kan vara en tillräcklig förbättring i vissa tillämpningar. (Bildkälla: DigiKey)

Spridningsspektrummetoden anses av vissa konstruktörer vara ”fusk”, eftersom det främst görs för att uppfylla emissionsgränserna, medan andra anser det vara en enkel och elegant lösning. Det är främst tillämpligt på switchade DC/DC-regulatorer där en fast driftfrekvens inte är kritisk. Men frekvenshoppning med bredspektrum är inte lämpligt för de många situationer där bärar- och driftsfrekvensstabilitet är kritiskt.

Passiv skärmning: ofta svaret

I de flesta EMC-fall ligger den skadliga energikretsen utanför konstruktörens kontroll, men ändå måste den reduceras vid källan eller offret. En effektiv och allmänt använd lösning för att hantera utstrålad EMI/RFI är att lägga till en jordad metallskärmning kring den skadliga energikällan eller offret, beroende på omständigheterna. Detta ger två tekniska problem:

• Vilket område på kretskortet behöver skyddas?
• Hur ska denna avskärmning genomföras för en produktionsmiljö för att minimera tiden till marknad, kostnaderna och effekten på produktionen?

I många fall är det område eller de områden som behöver avskärmas uppenbara, såsom en RF-sändtagarsektion; i andra fall kommer det krävas flera ansträngningar för att lokalisera den del av kretsen som antingen avger för mycket EMI/RFI eller är mottaglig för den. För att hitta dessa områden bygger konstruktörer ofta en liten, EMI-tät ledande låda för att stänga och skydda det område som undersöks. Beroende på produkt och konstruktion kan denna låda behöva vara så liten som en nagel eller så stor att den innesluter ett helt kretskort.

För mindre RF-kapslingar är det möjligt att använda tunn kopparplåt som viks till en låda, där fogar antingen är lödda eller täckta med koppartejp med ledande klisterämne. För medelstora och större höljen kan gamla kasserade pläterade kretskort kapas till den storlek som behövs för att bygga lådan, och alla fogar tejpas eller lödas (figur 3). I vissa fall punktlöds fogarna först på några få ställen för att få en grundstabilitet och sedan täcks de med den ledande tejpen.

Figur 3: Skyddet (med locket borttaget) runt ett litet mönsterkort är tillverkat av små bitar av oetsade, pläterade kort med lödda fogar. (Bildkälla: QRP HomeBuilder)

Lådan placeras sedan över området på kortet som ska undersökas och foglinjen mellan den öppna botten och mönsterkort löds till en RF-jord med låg impedans. I praktiken kan detta faktiskt vara mer utmanande än det verkar, eftersom mönsterkortet ofta ännu inte har en jordplan som motsvarar omkretsen av den konstruerade burken. Även om några anslutningspunkter kan räcka, innebär en mer kontinuerlig jordad fog att det finns mindre öppningar för RF-läckage in i eller ut ur burkenheten.

Det finns dock ett annat bekymmer med lödmetoden. På grund av de tunna banorna på många mönsterkort, kommer lödning eller avlödning av testburken från korten sannolikt att skada de känsliga banorna och förstöra kortet. Därför är det en bra idé att göra några mätningar av situationen med hjälp av RF-prober och sniffers innan du bygger och fäster dessa avskärmningsburkar.

En bättre prototypsköld

Att tillverka en avskärmningsburk med kopparfolie eller kopparklädda mönsterkort fungerar, men det är en tidskrävande process. Det kräver också att man hanterar FR-4-substratet (om man använder mönsterkortet), vilket är svårt att klippa utan rätt utrustning och arbetsmetod, och vilket lämnar otäcka glasfiberstickor i fingrarna om inte handskar bärs. Även att använda ett vanligt kopparark har problem, eftersom man kan skära sig om det hanteras slarvigt och det kan behövas ett litet bockningsverktyg för att verkligen uppnå 90°-veck i kanter och hörn. Det som till en början kan verka som ett enkelt gör-det-själv-projekt för att bygga en avskärmande testlåda, är inte så snabbt och enkelt som det verkar, även om det absolut är genomförbart.

Lyckligtvis finns det en bättre lösning med Harwins S01-806005 RFI Shield Can Kit. Denna sats levereras med två ark för att bygga skärmburkar etsade med ett 5 mm kvadratgaller, 24 RFI-skärmklämmor och instruktioner som är enkla att följa. För att skapa en enkel veckad låda, rita bara ett enkelt diagram över den önskade låddimensionen, klipp bort det onödiga arkmaterialet och vik resten av materialet längs de etsade linjerna med hjälp av en metallinjal som styrning och improviserat bockningverktyg (figur 4).

Bild 4: Med hjälp av Harwins S01-806005 RFI kan användare enkelt bygga skräddarsydda burkar i önskad storlek med de medföljande metallplåtarna med ett etsat 5 mm rutmönster. (Bildkälla: Harwin)

Burken är nu redo att fästas på kretskortet genom att helt enkelt fästa den i de medföljande S1711-46R RFI-skärmklämmorna, som kan hetluftslödas eller till och med handlödas på kortet (Figur 5). Detta är ett mycket bättre tillvägagångssätt än att försöka löda burken direkt på kortet, och det gör det också möjligt att enkelt ta bort burken efter behov för test, mätning, utvärdering och felsökning av den "burkade" kretsen.

Figur 5: Den medföljande S1711-46R RFI-skärmklämman löds på mönsterkortet, och sedan kan alla burkar som är konstruerade med S01-806005 RFI Shield Can Kit enkelt klämmas fast på den. (Bildkälla: Harwin)

Prototyp är inte produktion

Även om gör-det-själv-burkar eller Harwin Shield Can Kit kan fungera som EMC-lösningar, är de inte kompatibla med produktion av höga eller knappt ens låga volymer. Det är uppenbart att det krävs fler produktionssteg och mer tid för att bygga en massa kapslingar av skrot eller vikt kopparplåt, och det blir ett specialtillverkat föremål som måste läggas till i materiallistan. Även om det är acceptabelt, krävs ett manuellt moment för att löda dessa på kretskortet längs fogen mellan höljet och kortet, till skillnad från vanlig hetluftslödning av andra komponenter. Det finns också risk att skada kortet och borttagning för test och reparationer är opraktiskt.

Återigen finns ett bättre sätt att lösa problemet genom att använda prefabricerade RF-skärmburkar och matchande monteringsklämmor från Harwin. Dessa RF-högledande, opläterade rektangulära nickelsilver-burkar finns i ett brett spektrum av ytformat och höjder, från en liten på 10 x 10 x 3 mm med 0,15 mm materialtjocklek för S03-10100300R (figur 6), till större burkar som S01-50250500 som mäter 25 x 50 x 5 mm med en tjocklek på 0,3 mm.

Figur 6: Harwins S03-10100300R-skärm mäter 10 x 10 x 3 mm och passar bra för dagens små RF-kretsar. (Bildkälla: Harwin)

Dessa burkar löser i sig själva bara en del av problemen med produktionsvänligheten. Av denna anledning erbjuder Harwin ett brett sortiment av klippta bitar som kan hetluftslödas till kretskortet (figur 7) och i vilka burken kan snäppas i och tas ur. De olika klämmorna är anpassade för olika kretssituationer i layout, riktning, åtkomst och krockar med intilliggande kretskortsbanor och fält, samt materialtjocklek.

Figur 7: Kompletterande burkmonteringsklämmor som kompletterar skärmnings- och monteringslösningen finns i olika utföranden och storlekar som motsvarar burktjockleken och i olika konfigurationer för att fungera med kretskort av olika art. (Bildkälla: Harwin)

Vissa klippbitar är utformade för tillämpningar med mobila enheter med antennmatningar och konfigurationer finns tillgängliga som skyddar mot överkomprimering, förhindrar oönskade fasthakningar och kan användas vertikalt eller horisontellt. Mikroklämmor med så låg profil som 1,1 mm finns, liksom 90⁰ hörnklämmor utformade för att hantera lokal virvelströmsinterferens.

Faktorisering i RF-dämpning och kylning

Det finns ett grundläggande faktum om metallburkar med fast yta som omger kretskomponenter: de kan hindra kylkonvektionsluftflödet från ytorna på komponenterna som de innesluter. Detta kan tyckas utesluta avskärmning av burkar i många fall, men det stämmer inte riktigt. Anledningen är att burkens metall är ganska tunn, från 0,15 till 0,3 millimeter beroende på specifik burkmodell och storlek. Denna tunnhet utgör endast en liten barriär mot det konduktiva värmeflödet inifrån burken och ut. När värmen väl är på utsidan kan den transporteras bort med fri eller forcerad luftkonvektion eller på annat vis.

I detta avseende är en tunn metallburk termiskt mycket bättre än en skärmad kapsling gjord av vanligt FR-4-mönsterkortsmaterial, vilket ger en mycket högre värmeimpedansbarriär med konduktivitet mellan 1 och 3 watt/meter-Kelvin (W/mK) och en standardtjocklek på 1,6 millimeter. Jämför denna siffra med ledningsförmågan hos nickelsilver, som är ungefär 1000 gånger högre och också mycket tunnare (återigen bara 0,15 till 0,3 mm). Grundläggande termisk modellering kan kvantifiera den tunna metallburkens påverkan på kylningen. I nästan alla fall är det också god praxis att följa standardtekniken att använda det underliggande mönsterkortets koppar med sin höga värmeledningsförmåga för att transportera bort en avsevärd mängd värme från de monterade komponenterna.

En uppenbar lösning för att förbättra värmekonvektionen med skärmburkar är att göra hål i burkytan. Detta medför dock ett antal nya problem. Hålen måste vara tillräckligt små och placerade så långt ifrån varandra att de inte tillåter RF-läckage. Eftersom den maximalt tillåtna diametern och avståndet är en funktion av våglängden, är en typisk första ordningens riktlinje att eventuella öppningar inte får vara mer än en tiondel av den kortaste våglängden som ska skärmas.

Att bestämma den kritiska våglängden och därmed hålstorleken är emellertid inte alltid enkelt eller uppenbart, eftersom den skadliga RF-energin kan vara på frekvenser som är högre (och därmed ha en kortare våglängd) än produktens skenbara drifts- eller bärfrekvens. Tänk på att en skadlig frekvenssignal i GHz-området kan överbelasta och mätta en närliggande front-end-förstärkare i MHz-området. Således måste den maximalt, tillåtna hålstorleken vara mycket mindre än vad som föreskrivs av en enkel överblicksanalys av produktens driftsfrekvens.

Tänk på att ett annat syfte med skärmningsburkarna och klämmorna, förutom att säkerställa kretsprestandan, kan vara att ge RF-dämpning över ett brett frekvensomfång för att uppfylla regulatoriska krav på produkten. Dessa EMC-relaterade regleringsstandarder definierar maximal RFI/EMI som en produkt kan orsaka inom de olika zonerna i RF-spektrat, samt produktens tillåtna känslighet som ett EMI/RFI-offer, oavsett nominell driftsfrekvens.

Därför måste avskärmning ofta göra mer än att bara säkerställa prestanda vid den uppenbara driftsfrekvensen, såsom att även ge dämpning över det bredare EM-spektrat. Att använda kylhål som endast är dimensionerade för den nominella arbetsfrekvensen kan minska dämpningen som uppnås vid de kortare våglängderna och kan påverka regulatoriska godkännanden.

Slutsats

Elektromagnetisk kompatibilitet och problem med RFI/EMI påverkar nästan alla elektroniska produkter och tillämpningar och den ökande användningen av trådlösa länkar tillsammans med högre frekvenser gör konstruktionssituationen mer utmanande. Lösningen på många problem med utstrålad EMI/RFI innebär ofta grundläggande RF-skärmning med en metallburk för att helt innesluta de påverkade kretsarna.

Dessa burkar finns som standardartiklar i en mängd olika storlekar, tillsammans med ett urval av kretskortsklämmor i olika konfigurationer, vilket gör att burkarna enkelt kan fästas eller tas bort från kretskortet. Dessa klippbitar är också fullt kompatibla med utrustning som används för placering och lödning av ytmonterade komponenter i en miljö för volymproduktion.