Un Metodo di Iniezione con Pin ad Accoppiamento Capacitivo

Posted by marius 27/08/2021 0 Comment(s) 1072 Strumenti di Misura,

Un metodo di iniezione con pin ad accoppiamento capacitivo – un'alternativa al test BCI

scritto da Min Zhang, consulente EMC

1. Contesto

Per i test EMC nei settori automobilistico, militare ed aerospaziale, un test Bulk Current Injection (BCI) è ampiamente utilizzato come metodo di test di immunità. Questo test richiede un amplificatore ad alta potenza (spesso almeno 80 Watt di potenza insatura in uscita), insieme a una sonda di iniezione BCI, per ottenere un livello di interferenza ragionevolmente alto sul dispositivo in prova (DUT). La sonda di iniezione BCI e la sonda di monitoraggio sono mostrate nella Figura 1.

Figura 1 Sonda di iniezione BCI e sonda di monitoraggio RF configurate per il test BCI

In questo esempio, un'unità di controllo remoto per autoveicoli ha riscontrato problemi di immunità durante il test BCI in un laboratorio di prova accreditato. La rete di interconnessione locale (LIN) del modulo ha perso la comunicazione nell'intervallo di frequenza tra 5 e 15 MHz. I risultati del test BCI sono mostrati nella Figura 2.

Figura 2 Errori di comunicazione LIN da 5 MHz a 15 MHz durante il test BCI

Come sempre, per risolvere un problema EMI, la stessa modalità di guasto deve essere riprodotta in una configurazione di test EMC pre-conformità. Per i test EMC di pre-conformità, a meno che non sia disponibile l'attrezzatura di test BCI specifica, per riprodurre la stessa modalità di guasto spesso è necessaria una configurazione diversa. In questo articolo viene presentato un metodo di iniezione di pin ad accoppiamento capacitivo come alternativa.

2. Tecniche di test di immunità pre-conformità comunemente utilizzate

Le seguenti configurazioni di test sono le più comunemente utilizzate nei test di immunità EMC pre-conformità:
1. Un test BCI su banco di lavoro che utilizza una sonda di corrente del monitor RF come sonda di iniezione.
2. Un metodo di rete di accoppiamento e disaccoppiamento (CDN).
3. Un metodo di cella elettromagnetica trasversale (cella TEM).
4. Un metodo di iniezione dei pin ad accoppiamento capacitivo.
5. Altri metodi come il chattering relay.

Spesso dipende dalla preferenza personale di un ingegnere EMC selezionare un metodo di test più adatto per il test EMC di pre-conformità. Ad esempio, una sonda di monitoraggio della corrente Fischer F-33-1 viene spesso utilizzata come sonda di iniezione per il test BCI di pre-conformità [1]. L'impostazione del test è stata documentata in dettaglio [2] ed è stato menzionato che per ottenere un livello più elevato di interferenza RF, sarebbe necessario inserire alcune strozzature in ferrite sull'altro lato della sonda per riflettere più energia al DUT .

Sebbene questo metodo possa funzionare in una certa misura, generalmente non è una buona pratica utilizzare una sonda monitor RF per iniettare rumore, a meno che non si conosca la potenza RF massima specificata che è possibile immettere nella sonda. Inoltre, la maggior parte delle sonde per monitor RF sono progettate per ricevere piuttosto che emettere segnali RF. Le sonde di iniezione BCI hanno tipicamente un toroide a sezione trasversale molto grande per aumentare i livelli di saturazione (vedi Figura 1).

Oggi, l'utilizzo di un CDN è la scelta consigliata per il test di immunità [3]. Come si può vedere dalla Tabella 1 (Tabella E.1 da [4]), rispetto a un test BCI, un CDN richiede un livello di potenza molto più piccolo per ottenere un fattore di accoppiamento più elevato. Anche l'uso di una cellula TEM per il test di immunità sta guadagnando popolarità [5], gli studi hanno dimostrato che esiste una forte correlazione tra la cellula TEM e i risultati del test BCI [6].

Nell'esempio seguente, è necessario selezionare un test di immunità pre-conformità adatto. Prima dell'introduzione della tecnica di iniezione dei pin accoppiati capacitivamente, sono stati applicati un'iniezione BCI al banco di lavoro e un test di immunità cellulare TEM. Le configurazioni di prova per entrambi sono mostrate nella Figura 3. In entrambi i casi, l'amplificatore di potenza utilizzato è Tekbox TBMDA4 [7] che può produrre fino a 37 dBm di potenza in uscita (potenza 5Watt su un carico di 50 Ω) da 100 kHz a 50 MHz. Nessuno di questi metodi potrebbe riprodurre le modalità di guasto come si è visto nel test BCI effettivo.

Figura 3 Due configurazioni di test di immunità alternative

Le ragioni per non riuscire a riprodurre la modalità di guasto utilizzando l'impostazione del test BCI del banco di lavoro potrebbero essere che il nucleo della sonda di iniezione fatta in casa era saturato durante il test, o semplicemente, il livello di potenza non era abbastanza grande. L'aggiunta di più nuclei di ferrite sull'altro lato della sonda di iniezione di corrente si è rivelata di scarso impatto durante il test.

La cella TEM aperta (Tekbox TBTC1) utilizzata durante il test potrebbe potenzialmente raggiungere un'intensità di campo di 300 V/m, una forte esposizione al campo per il DUT. Il test di immunità di un dispositivo in una cella TEM richiede il test di almeno tre posizioni DUT ortogonali. La direzione del campo elettrico è ortogonale al setto. Un tipico meccanismo di problemi di immunità sono le tracce PCB che agiscono come antenne e accoppiano la RF nelle giunzioni dei semiconduttori, dove la RF viene rettificata, con conseguenti tensioni di polarizzazione o offset che quindi causano malfunzionamenti dei circuiti. Poiché i PCB in genere hanno tracce instradate in due direzioni principali, ortogonalmente l'una rispetto all'altra, è consigliabile testare il DUT con il piano del PCB ortogonale al setto e quindi ruotarlo di 90 gradi, ma sempre ortogonale rispetto al setto [8]. In questo caso sono state testate due posizioni del DUT, la modalità di guasto non è stata riprodotta.

3. Presentazione del metodo di iniezione dei pin ad accoppiamento capacitivo

3.1 Configurazione di prova

Un diagramma della configurazione del test è mostrato nella Figura 4 e un'immagine della configurazione del test è mostrata nella Figura 5. Una sonda di monitoraggio della corrente RF è stata fissata al cavo per monitorare il livello della corrente RF iniettata durante il test di immunità. Si noti che il livello di corrente dipende dall'uscita dell'amplificatore RF, dall'impedenza del valore di capacità della sonda di iniezione e dall'impedenza del circuito del DUT.

Figura 4 Schema di un metodo di iniezione dei pin accoppiati capacitivamente
 

Figura 5 Configurazione di un metodo di iniezione dei pin accoppiati capacitivamente

3.2 Fare una sonda “volante”

La sonda di iniezione utilizzata nel test è indicata anche come sonda "volante" per il motivo che la sonda capacitiva ha spesso un piccolo piano di massa per aumentare l'accoppiamento tra la sonda e il piano di alimentazione/massa del DUT, il piccolo piano di massa sembra "un'ala", da qui il nome sonda "volante" (o sonda “ala”).

È facile realizzare una sonda "volante" fatta in casa, come mostrato in Figura 6. Tagliare a metà un cavo coassiale semirigido, praticare un foro dello stesso diametro del cavo coassiale in un piccolo pezzo di rame e saldare il pezzo di rame allo schermo del cavo coassiale. Anche utilizzare un PCB di piccole dimensioni con un buon piano di massa è una buona idea. La punta della linea di segnale del cavo coassiale viene quindi saldata a un condensatore da 250 V. Il valore del condensatore dipende dal livello di corrente di disturbo che si vuole iniettare.

Figura 6 Una sonda "volante" fatta in casa

3.3 Selezione della giusta dimensione di un condensatore di accoppiamento

Il livello di corrente RF iniettato dipende dall'impedenza della sorgente dell'amplificatore, dal valore della capacità e dall'impedenza di carico. Spesso l'impedenza di carico è sconosciuta ed è dipendente dalla frequenza. La regola generale è che nella gamma di frequenze di interesse, l'impedenza del condensatore dovrebbe essere più o meno la stessa di 50 Ω (da abbinare all'impedenza di uscita dell'amplificatore RF). Ad esempio, se il DUT ha un problema di immunità a 68 MHz, allora un 47 pF sarebbe una buona scelta, perché l'impedenza di un condensatore da 47 pF a 68 MHz è di circa 50 Ω. Se il DUT ha problemi di immunità al di sotto dei 30 MHz, un condensatore da 100 pF sarebbe una scelta migliore. La maggior parte dell'amplificatore RF avrà una valutazione del dispositivo ad alta tensione contro il disadattamento di impedenza. Per evitare la mancata corrispondenza dell'impedenza dell'amplificatore di potenza, spesso si consiglia di collegare anche un attenuatore (come uno da 3 dB) tra l'uscita dell'amplificatore di potenza e la sonda "volante";

Poiché la modalità di guasto si è verificata in un intervallo inferiore a 20 MHz in questo caso particolare, è stato selezionato un condensatore di classe Y da 100 pF, 250 V. È anche importante notare che l'induttanza in serie equivalente (ESL) di un condensatore ha solo un impatto minimo a questo intervallo di frequenza. Tuttavia, quando la frequenza inizia ad aumentare, il cavo lungo di un condensatore inizierà a dominare l'impedenza poiché l'induttanza parassita aumenta con la frequenza. Pertanto, se il livello di rumore iniettato è nell'intervallo delle centinaia di MHz, è necessario controllare la curva impedenza vs frequenza del condensatore selezionato per assicurarsi che l'impedenza del condensatore non sia troppo alta. I cavi lunghi del condensatore dovranno certamente essere accorciati nella gamma di frequenza MHz.

3.4 Risultati del test

Il test è stato semplice da eseguire. Bisogna solo assicurarsi che il limite del livello di ingresso dell'amplificatore RF non venga superato, fornendo la giusta quantità di segnale in ingresso. Il generatore di segnale è stato configurato per eseguire uno sweep di frequenza variabile ad ampiezza fissa tra 5 e 15 MHz.

È stato notato che le luci LED del DUT hanno iniziato a lampeggiare durante lo sweep, il monitor del PC ha anche registrato più errori di comunicazione LIN mostrati nella Figura 7. Questo era lo stesso comportamento riscontrato dal DUT nel test BCI. La corrente che è stata monitorata attraverso la sonda del monitor RF fornisce un altro strumento utile per identificare il potenziale problema sul circuito.

Figura 7 L'errore di comunicazione LIN è stato riprodotto durante il test di iniezione del pin

Con la modalità di errore che può essere vista nella configurazione del test di pre-conformità, diventa possibile risolvere il problema e convalidare i risultati.

4. Conclusione

Un modulo di controllo remoto utilizzato per applicazioni automobilistiche ha riscontrato un errore di comunicazione durante il test BCI. Al fine di risolvere il problema, è stato istituito un test di immunità pre-compliance. È stato scoperto che un metodo di iniezione di pin ad accoppiamento capacitivo è stato in grado di riprodurre la stessa modalità di guasto, mentre altre alternative non sono riuscite a farlo.
È stata dimostrata la configurazione di prova e la costruzione della sonda di iniezione del pin, sono stati spiegati i dettagli della selezione del condensatore.
Per il test di immunità pre-conformità, il metodo proposto dovrebbe servire come alternativa semplice ed efficace al test BCI.

Riferimento

[1] K. Wyatt, "Utilizzo di test di immunità RF ad alta potenza", EDN, 25 maggio 2021. [Online].
[2] P. a. K. Wyatt, Guida alla risoluzione dei problemi EMI per progettisti di prodotti, Edison: SciTech Publishing, 2014.
[3] K. Armstrong, Una guida pratica per EN 61000-4-6: Tecniche di prova e misurazione – Immunità ai disturbi condotti indotti da campi a radiofrequenza, REO UK LTD.
[4] I. Norma, IEC 61000-4-6 Edizione 4.0 2013-10, IEC, 2013.
[5] A. Eadie, "Cellula TEM e guida GTEM per le emissioni irradiate e i test di pre-conformità dell'immunità irradiata", [Online].
[6] D. Trout, "Indagine sulla tecnica di iniezione di corrente alla rinfusa per confronto con la corrente indotta dai campi elettromagnetici irradiati", NASA, George C. Marshall Space Flight Center.
[7] “www.tekbox.com,” [Online].
[8] "FAQ Tekbox apri TEM-Cells", [Online].


(Informazioni sull'autore) Il Dr. Min Zhang è il fondatore e il principale consulente EMC di Mach One Design Ltd (www.mach1design.co.uk), una società di ingegneria con sede nel Regno Unito specializzata in consulenza, risoluzione dei problemi e formazione EMC. La sua profonda conoscenza dell'elettronica di potenza, dell'elettronica digitale, delle macchine elettriche e della progettazione di prodotti ha beneficiato alle aziende in tutto il mondo. Puoi scrivere a Zhang alla mail [email protected]

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