Používání přímo připravených kovových pouzder a klipů ke stínění proti EMI/RFI

Dnešní obvody plavou v moři elektromagnetické (EM) energie s velmi různorodou intenzitou a frekvencí. Výsledkem je, že elektromagnetické rušení (EMI) a rádiové rušení (RFI) – často společně nazývané jako elektromagnetická kompatibilita (EMC) – jsou všudypřítomným a souvisejícím jevem, který ovlivňuje výkon obvodu a formální schválení produktu. Tyto jevy představovaly problém již od počátků elektroniky, nyní jsou však čím dál větší výzvou vzhledem k masovému rozšíření bezdrátového připojení, používání vyšších frekvencí, citlivějším obvodům a vedením s nižším napětím.

Rušení, které má vliv na obvod, může být buď úmyslné, nebo neúmyslné z blízkých zářičů elektromagnetické energie. Rušení může pocházet z přirozených i umělých zdrojů.  Samotný obvod může také vyzařovat nežádoucí nebo nepřijatelnou EM energii, které má vliv na elektroniku v blízkosti. Jedním z nejběžnějších řešení k potlačení problémů souvisejících s energií EMI/RFI je přidání stínění kolem kritických součástí obvodových desek nebo dokonce kolem celého modulu. Ve fázi nepájivého pole a prototypu může být toto stínění improvizační, aby bylo možné problému porozumět, zmírnit jej a vyřešit. Tato improvizovaná řešení však nejsou kompatibilní s výrobním prostředím ani se stanicemi pro testování, ladění a opravy.

V tomto článku jsou identifikovány základní problémy související s EMC u PC desek, sestav a produktů. Dále se podíváme na připravená řešení stínění od společnosti Harwin a na to, jak je používat k zajištění technické efektivity a výrobní kompatibility.

Problémy s EMC ve dvou rovinách

Energie elektrického rušení se může šířit ze zdroje do obvodu příjemce prostřednictvím vedení a záření (obrázek 1). V případě vedení se energie přenáší přes vodiče, jako jsou dráty nebo kabely. Návrháři tuto energii obvykle potlačují pomocí feritových korálků, filtrů, tlumivek nebo jiných pasivních součástek. V případě vyzařování se energie přenáší přes vzduch nebo vakuum ze zdroje do příjemce, nejsou nutné žádné kovové vodiče.

Obrázek 1: Nežádoucí EM energie může do systému procházet nebo z něj vycházet přes vedení prostřednictvím kabeláže nebo díky vyzařování přes vzduch nebo vakuum. (Zdroj obrázku: Slideshare.net, „Overview of EMI/EMC“)

Tyto nežádoucí efekty lze někdy snížit přemístěním součástek ve zdroji nebo příjemci, ale jde o časově náročný proces, který je obvykle také nepraktický, nemožný nebo neefektivní. Podobně není příliš realizovatelnou možností ani filtrování, protože velká část narušující energie EMI/RFI je v rámci zájmového provozního rádiového pásma (RF). Případné filtrování by tak snížilo také sílu žádoucího signálu a ohrozilo výkon systému.

Ke snížení špičkových emisí EMI na provozní frekvenci lze v některých případech vyzařování EMI někdy použít techniku zvanou „rozprostřené spektrum“. Při tomto přístupu se hodinový signál obvodu náhodně „rozptýlí“ kolem své jmenovité frekvence jako forma rychlého přelaďování. RF energie se tím rozprostře napříč celým spektrem, ale nesníží se celkové množství vyzařované energie (obrázek 2).

Obrázek 2: Modulací hodin dochází k rozprostírání RF spektra, a tím ke snížení energie špiček. Nesnižuje se však celkové množství nežádoucí RF energie. Útlum špiček může být pro některé aplikace dostačující. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Někteří návrháři považují tento přístup rozprostřeného spektra za „podvod“, protože jeho primárním účelem je splnit emisní limity. Někteří jiní jej však považují za jednoduché a elegantní řešení. Primárně se používá u spínaných regulátorů DC-DC, kde není pevná provozní frekvence rozhodujícím činitelem. Rychlé přelaďování rozprostřeného spektra však není vhodné pro mnoho jiných situací, kde je rozhodující stabilita nosiče a provozní frekvence.

Pasivní stínění: častá odpověď

V mnoha případech EMC je obvod narušující energie mimo kontrolu návrháře. Přesto je nutné tuto energii ve zdroji nebo příjemci redukovat. Efektivním a široce používaným řešení, jak s vyzařovanou energií EMI/RFI naložit, je přidat kolem narušujícího zdroje energie nebo kolem příjemce (v závislosti na podmínkách) uzemněné kovové stínění. S tímto řešením vyvstávají dva technické problémy:

• Která část PC desky potřebuje stínění?
• Jak implementovat toto stínění do výrobního prostředí, aby byla zároveň minimalizována doba do uvedení výrobku na trh, náklady a vliv na výrobu?

V mnoha případech jsou oblast nebo oblasti, které potřebují stínění, naprosto zřejmé – jde například o část RF transceiveru. V některých jiných případech může být vyhledání části, která vyzařuje příliš EMI/RFI, nebo na kterou máte největší podezření, poměrně obtížné. K nalezení těchto oblastí si vývojáři často sestavují malý vodivý box utěsněný proti EMI, který uzavře a odstíní oblast, kterou zkoumají. Podle produktu nebo provedení může být takový box malý třeba jen jako nehet, nebo velký tak, že obklopí celou PC desku.

U menších RF krytů lze použít tenký měděný pásek, který se složí do boxu. Švy jsou buď spájené, nebo potažené měděnou páskou, která obsahuje vodivé lepidlo. Pro střední a větší kryt lze rozřezat povlakovanou PC desku na proužky potřebné k sestavení boxu. Všechny švy musí být slepeny nebo spájeny (obrázek 3). V některých případech se švy nejprve na několika místech spájí kvůli stabilitě a poté se pokryjí vodivou páskou.

Obrázek 3: Toto stínění (se sejmutým krytem) kolem malé PC desky je zkonstruováno z malých kousků povlakované desky bez vyrytí, švy jsou spájeny. (Zdroj obrázku: QRP HomeBuilder)

Box se poté umístí nad oblast vyhodnocované desky. Linie švu mezi otevřenou spodní částí a PC deskou se spájí na RF uzemnění s nízkou impedancí. Ve skutečnosti to může být náročnější, než se na první pohled zdá. Uzemňovací trasa PC desky totiž často zatím neodpovídá obvodu zkonstruovaného kovového pouzdra. Přestože může postačovat jen několik připojovacích bodů, souvislejší uzemňovací šev zajistí, že pro únik RF do sestavy kovového pouzdra nebo z ní bude méně cest.

S tímto pájecím postupem je však spojena další potíž. Vzhledem k tenké stopě mnoha PC desek může při pájení nebo odpájení testovacího kovového pouzdra pravděpodobně dojít k poškození jemné stopy a zničení desky. Je proto dobré provést před sestavením a připojením těchto stínících kovových pouzder několik měření situace pomocí RF sond a sledovačů.

Lepší prototypový přístup ke stínění

Zkonstruování stínícího kovového pouzdra pomocí měděné fólie nebo PC desky povlakované mědí je sice funkční, ale jde o časově náročný proces. Postup také vyžaduje práci se substrátem FR-4 (v případě použití PC desek), který se bez potřebného náčiní obtížně řeže. Pokud uživatel nemá rukavice, zanechává na prstech nepříjemné třísky ze skleněných vláken. Dokonce i použití prostého měděného plechu s sebou přináší problémy, protože při neopatrné manipulaci si můžete pořezat prsty. Může být také nutné použít malý ohýbací lis, abyste na okrajích a v rozích dosáhli správného zahnutí do 90°. Postup sestavení stínícího testovacího boxu se na první pohled zdá, že ho zvládne každý kutil, ale není to tak rychlé a snadné, přestože je to jistě proveditelné řešení.

Naštěstí je tu lepší řešení – použití sady kovového pouzdra S01-806005KIT stínícího proti RFI od společnosti Harwin. Tato sada se dodává se dvěma listy stínícího kovového pouzdra s vyrytou 5milimetrovou čtvercovou mřížkou, 24 klipy stínícími proti RFI a jednoduchými pokyny. Chcete-li udělat základní skládaný box, jednoduše si nakreslíte schéma požadovaných rozměrů boxu, odříznete nepotřebný materiál listu a zbývající materiál složíte podle vyrytých linií pomocí kovového pravítka jako vodítka a běžného ohýbacího lisu (obrázek 4).

Obrázek 4: Pomocí sady kovového pouzdra S01-806005KIT stínícího proti RFI od společnosti Harwin si mohou uživatelé sestavit stínící kovová pouzdra s vlastní velikostí pomocí dodaných kovových listů s vyrytým vzorem mřížky s krokem po 5 mm. (Zdroj obrázku: společnost Harwin)

Pouzdro je nyní připraveno k připevnění k obvodové desce. Jednoduše jej zaklapněte do dodaných klipů stínících proti RFI S1711-46R, které lze přetavit nebo ručně připájet na desku (obrázek 5). Jedná se o mnohem lepší postup, než jakým je pájení pouzdra přímo na desku. Umožňuje také snadné sejmutí kovového pouzdra, pokud je to potřeba kvůli testování, měření, vyhodnocení a ladění obvodu v pouzdru.

Obrázek 5: Dodaný klip S1711-46R stínící proti RFI je pájen na PC desku. Na klip lze poté snadno připevnit jakékoli pouzdro zkonstruované ze sady kovového pouzdra stínícího proti RFI S01-806005KIT. (Zdroj obrázku: společnost Harwin)

Prototyp není výroba

Kutilská kovová pouzdra nebo sada stínícího kovového pouzdra společnosti Harwin mohou být řešením problému s EMC, nejsou to však řešení kompatibilní s velkoobjemovou výrobou, a dokonce ani s maloobjemovou. Je zřejmé, že sestavení množství krytů z proužků PC desek nebo skládání měděných plechů vyžaduje další výrobní kroky a čas a nejedná se přitom o standardní položku kusovníku (BOM). Přestože jde o přijatelný postup, je připevnění těchto plechů k počítačové desce pájením podél spoje mezi krytem a deskou ruční operací, na rozdíl od standardního pájení přetavením u ostatních součástek. Existuje také poměrně vysoké riziko poškození desky a sejmutí pouzdra kvůli testování nebo opravě je navíc nepraktické.

Existuje ještě lepší řešení problému – pomocí prefabrikovaných kovových pouzder stínících proti RF a odpovídajících montážních klipů od společnosti Harwin. Tato RF vysoce vodivá, nepokovená hranatá pouzdra z niklové mosazi jsou dostupná v široké řadě velikostí půdorysu a výšek, od drobných pouzder S03-10100300R o velikosti 10 × 10 × 3 mm s tloušťkou materiálu 0,15 mm (obrázek 6) až po větší pouzdra, jako je produkt S01-50250500, který měří 25 × 50 × 5 mm a tloušťka jeho materiálu je 0,3 mm.

Obrázek 6: Stínění S03-10100300R společnosti Harwin může měřit 10 × 10 × 3 mm a je dobrou volbou pro dnešní miniaturní RF obvody. (Zdroj obrázku: společnost Harwin)

Samotná pouzdra řeší pouze část požadavku na pohodlnou výrobu. Z tohoto důvodu nabízí společnost Harwin širokou řadu klipů, které jsou připraveny pro automatizované umístění a k PC desce je lze připájet přetavením (obrázek 7). Pouzdra se do klipů jednoduše zaklapnou či z nich vyklapnou, což umožňuje snadný přístup k součástkám, když je chcete vyčistit nebo opravit. Velikost různých klipů je přizpůsobena různým deskám, jejich rozložení, orientaci, přístupu a rušení od sousedního vedení PC desek, stejně jako tloušťkám materiálu pouzdra.

Obrázek 7: Doplňkové klipy pro montáž na pouzdro dovršují řešení stínění a montáže a jsou k dispozici v různých stylech a velikostech odpovídajících tloušťce pouzdra a různým konfiguracím ke splnění různorodých požadavků PC desek. (Zdroj obrázku: společnost Harwin)

Zakoupit lze mikroklipy s profilem nízkým pouhých 0,8 mm stejně jako 90° rohové klipy určené k řešení lokalizovaného vířivého rušení. Stínící klipy jsou kompatibilní s připravenými nebo vlastními pouzdry tenkými od pouhých 0,13 mm až po 1,00 mm.

Faktoring při útlumu RF, chlazení

Co se týče pevných kovových pouzder obklopujících součástky obvodu, je jeden základní fakt: pouzdra mohou bránit chladicímu konvekčnímu toku vzduchu z povrchů součástek, které obklopují. Mohlo by to vypadat, že stínící pouzdra jsou pro mnoho aplikací vyřazena ze hry, ale není tomu tak. Důvodem je, že kov pouzdra je v závislosti na konkrétním modelu a velikosti pouzdra poměrně tenký, od 0,15 do 0,3 milimetru. Tato tenkost je pro tok tepla prostřednictvím vedení zevnitř pouzdra na jeho vnější stranu jen malou překážkou. Jakmile se teplo dostane na vnější povrch, lze jej odvát volným či nuceným prouděním vzduchu nebo jinými prostředky.

V tomto ohledu je pouzdro z tenkého kovu z termálního hlediska mnohem lepší než stíněný kryt vyrobený z běžného materiálu desek FR-4, který představuje překážku s mnohem větším teplotním odporem s vodivostí mezi 1 a 3 W/m-K a standardní tloušťkou 1,6 mm. Porovnejte tento obrázek s vodivostí niklové mosazi, která je asi 1000krát vyšší a je přitom mnohem tenčí (opět pouhých 0,15 až 0,3 mm). Základní termální modelování může vliv pouzdra z tenkého kovu na chlazení kvantifikovat. V téměř všech případech je osvědčeným postupem dodržování standardní techniky používání základní měděné vrstvy PC desky s vysokou termální vodivostí, která odnese podstatné množství tepla z namontovaných součástek.

Zjevným řešením, jak termální konvekci se stínícími pouzdry vylepšit, je udělat do pouzdra otvory. Přináší to však další sadu problémů. Otvory musí být dostatečně malé a v takové vzdálenosti od sebe, aby neumožňovaly RF únik. Maximální povolený průměr a rozestupy jsou funkcí vlnové délky, nabízí se proto jako první postup, aby žádný otvor nebyl ve vzdálenosti větší než jedna desetina nejkratší stíněné vlnové délky.

Určování rozhodné vlnové délky a tím i velikosti otvoru není vždy snadné ani zřejmé, protože narušující RF energie může probíhat na frekvencích, které jsou vyšší (a proto na nižší vlnové délce) než zdánlivá provozní frekvence nebo frekvence nosiče produktu. Vezměte v úvahu, že narušující signál gigahertzové frekvence může přetížit a saturovat blízké megahertzové frekvence front-endového zesilovače. Proto by musela být maximální povolená velikost otvoru mnohem menší, než přikazuje jednoduchá analýza prvního průchodu provozní frekvence produktu.

Nezapomeňte, že kromě zajištění výkonu obvodu může být dalším účelem stínících pouzder a klipů zajišťovat RF útlum v širokém frekvenčním rozsahu, aby byly splněny zákonné požadavky na produkt. V zákonných předpisech týkajících se EMC je definováno maximální RFI/EMI, které může produkt vytvářet v různých zónách RF spektra stejně jako povolená citlivost produktu jako příjemce EMI/RFI, bez ohledu na jmenovitou provozní frekvenci.

Smyslem stínění musí být proto více než jen zajištění výkonu na zřejmé provozní frekvenci. Kromě toho musí také poskytovat útlum napříč širším EM spektrem. Použití otvorů k chlazení, které mají rozměry pro jmenovitou provozní frekvenci, může snížit útlum dosažený na těchto kratších vlnových délkách a může ovlivnit zákonné schválení.

Závěr

Elektromagnetická kompatibilita a problémy související s vlivem RFI/EMI ovlivňují téměř všechny elektronické produkty a aplikace. Vzrůstající používání bezdrátových připojení spolu s vyššími frekvencemi činí situaci ještě obtížnější. Řešení mnoha problémů souvisejících s vyzařováním EMI/RFI často zahrnuje základní RF stínění s využitím kovového pouzdra, které příslušný obvod zcela obklopí.

Tato pouzdra jsou k dispozici jako standardní položky v mnoha různých velikostech spolu s výběrem klipů PC desek v různých konfiguracích, které umožňují snadné připevnění pouzder na obvodovou desku nebo jejich sejmutí. Tyto klipy jsou také zcela kompatibilní s vybavením používaným pro vkládání a pájení balených součástek SMT v prostředí objemové výroby.