Gebruik de juiste off-the-shelf metaalblikken en -clips om zich af te schermen tegen EMI/RFI

De huidige circuits zwemmen in een zee van elektromagnetische (EM) energie van zeer uiteenlopende intensiteit en frequentie. Als gevolg daarvan zijn EM-interferentie (EMI), radiofrequentie-interferentie (RFI) - vaak gegroepeerd onder de noemer elektromagnetische compatibiliteit (EMC) - alomtegenwoordige, gerelateerde fenomenen die de prestaties van het circuit en de formele goedkeuring van het product beïnvloeden. Hoewel dit al sinds de begindagen van de elektronica een punt van zorg is, vormen ze nu steeds grotere uitdagingen vanwege de wijdverbreide beschikbaarheid van draadloze connectiviteit, het gebruik van hogere frequenties, meer gevoelige circuits en lagere spanningsrails.

Interferentie die van invloed is op een circuit kan het gevolg zijn van zowel opzettelijke als onbedoelde nabijgelegen uitstoters van elektromagnetische energie en kan worden veroorzaakt door natuurlijke of door de mens gecreëerde bronnen. Het circuit zelf kan ook ongewenste of onaanvaardbare EM-energie uitstoten die de nabijgelegen elektronica aantast. Een van de meest voorkomende oplossingen om EMI/RFI-energieproblemen te beperken is het toevoegen van afscherming rond de kritische delen van de printplaat of zelfs een hele module. Tijdens de breadboard- en prototypestadia kan deze afscherming worden geïmproviseerd om het probleem te begrijpen, te dempen en op te lossen. Dergelijke geïmproviseerde oplossingen zijn echter niet compatibel met een productieomgeving of met test-, debug- en reparatiestations.

Dit artikel identificeert de basisuitdagingen van EMC op printplaten, assemblages en producten. Vervolgens wordt gekeken naar kant-en-klare afschermingsoplossingen van Harwin en hoe deze te gebruiken voor technische effectiviteit en productiecompatibiliteit.

EMC-kwesties nemen twee paden

Elektrische storingsenergie kan via geleiding of straling van een bron naar een "slachtoffer"-circuit gaan (Afbeelding 1). In het geleidingsgeval gaat de energie door geleiders zoals draden of kabels. Ontwerpers verzwakken deze energie meestal met behulp van ferrietkorrels, filters, smoorspoelen en andere passieve componenten. In het uitgestraalde geval gaat het energiepad door lucht of vacuüm van bron naar slachtoffer, zonder metalen geleiders.

Afbeelding 1: Ongewenste EM-energie kan een systeem binnenkomen of verlaten door geleiding via bekabeling of straling via lucht of vacuüm. (Bron afbeelding: Slideshare.net, "Overzicht van EMI/EMC")

Deze ongewenste effecten kunnen soms worden verminderd door componenten bij de bron of het slachtoffer te herpositioneren, maar dit is een tijdrovend proces dat meestal onpraktisch, onmogelijk of ineffectief is. Op dezelfde manier is filteren geen haalbare optie, aangezien een groot deel van de beledigende EMI/RFI-energie zich binnen de relevante operationele radiofrequentieband (RF-band) bevindt, en een dergelijke filtering zou ook de sterkte van het gewenste signaal verminderen, waardoor de systeemprestaties in het gedrang zouden komen.

Voor sommige bestraalde EMI-gevallen wordt soms een techniek gebruikt die "spread spectrum" wordt genoemd om de piekemissie van EMI bij de bedrijfsfrequentie te verminderen. Bij deze benadering wordt de klok van de schakeling willekeurig "geditherd" rond de nominale frequentie, als een vorm van frequency hopping. Hierdoor wordt de RF-energie over het hele spectrum verspreid, maar wordt de totale uitgestraalde energie niet verminderd (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het moduleren van een klok verspreidt het RF-spectrum en vermindert zo de piekenergie, maar vermindert niet de totale hoeveelheid ongewenste EM-energie; het dempen van de pieken kan voor sommige toepassingen een voldoende verbetering zijn. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De spread spectrum aanpak wordt door sommige ontwerpers beschouwd als een "bedrieger", omdat het in de eerste plaats wordt gedaan om aan de emissiegrenswaarden te voldoen, terwijl anderen het als een eenvoudige en elegante oplossing beschouwen. Het is voornamelijk van toepassing op DC-DC schakelende regelaars waar een vaste bedrijfsfrequentie niet kritisch is; maar spread spectrum frequency hopping is niet geschikt voor de vele situaties waar draaggolf- en bedrijfsfrequentiestabiliteit kritisch zijn.

Passieve afscherming: vaak het antwoord

In de meeste EMC-gevallen ligt het beledigende energiecircuit buiten de controle van de ontwerper, maar toch moet het bij de bron of het slachtoffer worden gereduceerd. Een effectieve en veelgebruikte oplossing voor het omgaan met uitgestraalde EMI/RFI is het toevoegen van geaarde metalen afscherming rond de beledigende energiebron of het slachtoffer, afhankelijk van de omstandigheden. Dit brengt twee technische problemen met zich mee:

• Welk(e) gedeelte(n) van de printplaat moet(en) worden afgeschermd?
• Hoe moet deze afscherming worden geïmplementeerd voor een productieomgeving om de time-to-market, de kosten en de impact op de productie tot een minimum te beperken?

In veel gevallen is het gebied of de gebieden die moeten worden afgeschermd duidelijk, zoals een RF-zendontvangergedeelte; in andere gevallen zijn er meerdere pogingen nodig om het deel van het circuit te lokaliseren dat ofwel te veel EMI/RFI uitzendt ofwel er gevoelig voor is. Om deze gebieden te vinden, bouwen ontwerpers vaak een kleine, EMI-dichte geleidende doos om het onderzochte gebied te omsluiten en af te schermen. Afhankelijk van het product en het ontwerp kan deze doos zo klein als een vingernagel moeten zijn of groot genoeg om een hele pc-printplaat in te sluiten.

Voor kleinere RF-kasten is het mogelijk om dunne koperen platen te gebruiken die in een doos worden gevouwen, waarbij de naden worden gesoldeerd of bedekt met koperen tape met een geleidende kleeflaag. Voor middelgrote en grotere behuizingen kunnen stukjes beklede printplaat worden gesneden op de maat die nodig is om de doos te bouwen, met alle naden afgeplakt of gesoldeerd (Afbeelding 3). In sommige gevallen worden de naden eerst op een paar plaatsen "vastgesoldeerd" voor de basisstabiliteit en daarna bedekt met de geleidende tape.

Afbeelding 3: Deze afscherming (met verwijderde afdekking) rond een kleine printplaat is opgebouwd uit kleine stukjes ongeëtste beklede plaat met gesoldeerde naden. (Bron afbeelding: QRP HomeBuilder)

De doos wordt dan over het te beoordelen oppervlak van de printplaat geplaatst en de naadlijn tussen de open onderkant en de printplaat wordt gesoldeerd aan een lage impedantie RF-grond. In de praktijk kan dit eigenlijk uitdagender zijn dan het lijkt, omdat het pc-bord vaak nog geen grondsporen heeft die overeenkomen met de omtrek van het geconstrueerde blikje. Hoewel een paar verbindingspunten kunnen volstaan, betekent een meer continue geaarde naad dat er minder weg is voor RF-lek in of uit het blikje.

Er is nog een ander punt van zorg met deze soldeeraanpak. Door de dunne sporen van veel printplaten kan het solderen of los solderen van de platen de kwetsbare sporen waarschijnlijk beschadigen en het bord ruïneren. Daarom is het een goed idee om enkele metingen te doen met behulp van RF-sondes en snuffelaars alvorens deze afschermingsblikken te bouwen en te bevestigen.

Een beter prototype van het schild

Het vervaardigen van een afscherming kan met behulp van koperfolie of met koper beklede printplaten wel werken, maar het is een tijdrovend proces. Ook moet er worden omgegaan met het FR-4 substraat (bij gebruik van pc-planken), dat moeilijk te snijden is zonder de juiste opstelling en vervelende glasvezel "splinters" in de vingers van de gebruiker achterlaat, tenzij er handschoenen worden gedragen. Zelfs het gebruik van een kale koperen plaat heeft problemen, want het kan vingers snijden als er onzorgvuldig mee wordt omgegaan, en het kan nodig zijn om toegang te krijgen tot een kleine buigrem om de juiste 90° plooien van de randen en hoeken te bereiken. Wat op het eerste gezicht een eenvoudige doe-het-zelf aanpak lijkt voor het bouwen van een afschermingstestbox is niet zo snel en gemakkelijk als het lijkt, hoewel het zeker te doen is.

Gelukkig is er een betere oplossing met de Harwin S01-806005 RFI Shield Can Kit. Deze kit wordt geleverd met twee afschermingsblikken die geëtst zijn met een 5 millimeter (mm) vierkant rooster, 24 RFI-schildklemmen, en gemakkelijk te volgen instructies. Om een basis gevouwen doos te maken, hoeft u alleen maar een eenvoudig schema te tekenen van de vereiste doosafmeting, het onnodige plaatmateriaal weg te snijden en het resterende materiaal op de geëtste lijnen te vouwen met behulp van een metalen liniaal als geleider en een informele buigrem (figuur 4).

Afbeelding 4: Met behulp van de Harwin S01-806005 RFI Shield Can Kit kunnen gebruikers eenvoudig op maat gemaakte afschermingsblikken bouwen met behulp van de meegeleverde metalen platen met een geëtst 5 mm rasterpatroon. (Bron afbeelding: Harwin)

Het blikje is nu klaar om aan de printplaat te worden bevestigd door het simpelweg in de bijgeleverde S1711-46R RFI-afschermingclips te klikken, die kunnen worden teruggevloeid of zelfs met de hand aan de printplaat worden gesoldeerd (Afbeelding 5). Dit is een veel betere aanpak dan een poging om het blikje direct aan de printplaat te solderen, en het maakt het ook mogelijk om het blikje gemakkelijk te verwijderen als dat nodig is voor het testen, meten, evalueren en debuggen van het "ingeblikte" circuit.

Afbeelding 5: De meegeleverde S1711-46R RFI-afschermingclip wordt aan de printplaat gesoldeerd en vervolgens kan elke willekeurige can met de S01-806005 RFI Shield Can Kit er eenvoudig op worden geklemd. (Bron afbeelding: Harwin)

Prototype is geen productie

Hoewel doe-het-zelfblikken of de Harwin Shield Can Kit kunnen wijzen op een EMC-oplossing, zijn ze niet compatibel met hoog-volume of zelfs laag-volume productie. Het is duidelijk dat het bouwen van een hoeveelheid behuizingen van pc-board "scraps" of gevouwen plaatkoper extra productiestappen en -tijd vereist en een niet-standaard item is om op de materiaallijst te zetten (BOM). Zelfs als dat acceptabel is, is het bevestigen van deze op de printplaat via solderen langs de verbinding tussen de behuizing en de printplaat een handmatige bewerking, in tegenstelling tot het standaard reflow-solderen van de andere componenten; er is ook een goede kans op beschadiging van de printplaat, en verwijdering voor test- of reparatiedoeleinden is onpraktisch.

Ook hier is er een betere aanpak om het probleem op te lossen door gebruik te maken van geprefabriceerde RF-afschermingsblikken en bijpassende bevestigingsclips van Harwin. Deze hooggeleidende, onbeklede, nikkel-zilveren rechthoekige blikken zijn verkrijgbaar in een breed scala aan afmetingen en hoogtes van de voetafdruk, van 10 mm x 10 mm x 3 mm hoog (0,394 x 0,394 x 0,12 inch) met een materiaaldikte van 0,15 mm voor de S03-10100300R (afbeelding 6), tot grotere blikken zoals de S01-50250500 met een hoogte van 25 mm x 50 mm x 5 mm (ongeveer 1 x 2 x 0,25 inch) met een dikte van 0,3 mm.

Afbeelding 6: Het Harwin S03-10100300R-schild kan 10 mm x 10 mm x 3 mm hoog zijn (0,394 x 0,394 x 0,12 inch) en past goed in de kleine RF-circuits van vandaag. (Bron afbeelding: Harwin)

Deze blikken alleen al lossen slechts een deel van de productievriendelijke eis op. Om deze reden biedt Harwin een grote verscheidenheid aan clips die aan de printplaat kunnen worden gesoldeerd (figuur 7), en waarin de can snaps en unsnaps kunnen worden aangebracht. De verschillende clips zijn geschikt voor verschillende boardsituaties in de lay-out, de oriëntatie, de toegang en de interferentie met aangrenzende pc-boardrails en landerijen, evenals voor de dikte van het materiaal.

Afbeelding 7: Aanvullende blikkenbevestigingsclips die de afschermings- en montageoplossing compleet maken, zijn verkrijgbaar in verschillende stijlen en maten die overeenkomen met de dikte van de blikjes, en in verschillende configuraties om te voldoen aan de verschillende behoeften van de pc-kaart. (Bron afbeelding: Harwin)

Bepaalde clipstijlen zijn ontworpen voor mobiele apparaattoepassingen met antennevoeding, en er zijn configuraties beschikbaar die beschermen tegen overcompressie, die onverwacht vastlopen voorkomen en die zowel verticaal als horizontaal kunnen worden gebruikt. Er zijn microclips met een profiel van slechts 1,1 mm beschikbaar, evenals 90 ⁰ hoekklemmen die zijn ontworpen om gelokaliseerde wervelstoring aan te pakken.

Factoring in RF-demping, koeling

Er is een basisfeit over metalen blikken met een vast oppervlak rondom circuitcomponenten: ze kunnen de koeling van de convectieluchtstroom van de oppervlakken van de componenten die ze omsluiten, belemmeren. Dit lijkt in veel toepassingen misschien uit te sluiten dat afschermingsblikken worden gebruikt, maar dat is niet echt het geval. De reden hiervoor is dat het metaal van het blikje vrij dun is, van 0,15 tot 0,3 millimeter, afhankelijk van het model en de grootte van het specifieke blikje. Die dunheid vormt slechts een kleine barrière voor de warmtestroom via geleiding van de binnenkant van het blikje naar de buitenkant. Als de warmte eenmaal naar het buitenoppervlak is geleid, kan deze door middel van vrije of geforceerde luchtconvectie of op een andere manier worden afgevoerd.

In dit opzicht is een dun metalen blikje veel beter thermisch dan een afgeschermde behuizing van gemeenschappelijk FR-4 printplaatmateriaal, dat een veel hogere thermische impedantiebarrière heeft met een geleidingsvermogen tussen 1 en 3 watt/meter-Kelvin (W/m-K) en een standaarddikte van 1,6 millimeter. Vergelijk dit cijfer met het geleidingsvermogen van het nikkel-zilver, dat ongeveer 1000 keer hoger is, en ook veel dunner is (wederom slechts 0,15 tot 0,3 millimeter). Basis thermische modellering kan de impact van het dunne metalen blikje op de koeling kwantificeren. Ook is het in bijna alle gevallen een goede gewoonte om de standaard techniek van het gebruik van de onderliggende printplaat koper met zijn hoge warmtegeleidingsvermogen te volgen om een aanzienlijke hoeveelheid warmte van de gemonteerde componenten af te voeren.

Een schijnbare oplossing voor het verbeteren van de thermische convectie met afschermingsblikken is het aanbrengen van gaten in het blikoppervlak. Dit voegt echter een nieuwe reeks kwesties toe. De gaten moeten klein genoeg zijn en ver genoeg uit elkaar staan om geen RF-lek te veroorzaken. Aangezien de maximaal toegestane diameter en afstand een functie is van de golflengte, is een typische richtlijn van de eerste orde dat eventuele openingen niet meer dan een tiende van de kortste golflengte die wordt afgeschermd mogen zijn.

Het bepalen van de kritische golflengte en dus de grootte van de gaten is echter niet altijd gemakkelijk of voor de hand liggend, aangezien de overtredende RF-energie op frequenties kan liggen die hoger zijn (en dus op een kortere golflengte) dan de schijnbare bedrijfs- of draaggolffrequentie van het product. Bedenk dat een beledigend gigahertz-frequentiesignaal een nabijgelegen megahertz-frequente front-end versterker kan overbelasten en verzadigen. De maximaal toegestane gatgrootte zou dus veel kleiner moeten zijn dan wat een eenvoudige first-pass analyse van de bedrijfsfrequentie van het product voorschrijft.

Houd er rekening mee dat naast het verzekeren van de prestaties van het circuit, een ander doel van de afscherming kan en clips kan zijn om RF-demping te bieden over een breed frequentiebereik om te voldoen aan de wettelijke eisen voor het product. Deze EMC-gerelateerde reguleringsnormen definiëren de maximale RFI/EMI die een product kan creëren binnen de verschillende zones van het RF-spectrum, evenals de toelaatbare gevoeligheid van het product als EMI/RFI-slachtoffer, ongeacht de nominale werkingsfrequentie.

Daarom moet afscherming vaak meer doen dan alleen zorgen voor prestaties op de voor de hand liggende bedrijfsfrequentie, maar in plaats daarvan moet zij wellicht ook zorgen voor demping in het bredere EM-spectrum. Het gebruik van koelgaten die alleen voor de nominale bedrijfsfrequentie zijn gedimensioneerd, kan de bereikte demping bij die kortere golflengten verminderen en kan de wettelijke goedkeuring beïnvloeden.

Conclusie

Elektromagnetische compatibiliteit en problemen met RFI/EMI zijn van invloed op bijna alle elektronische producten en toepassingen, en het toenemende gebruik van draadloze verbindingen in combinatie met hogere frequenties maakt de ontwerpsituatie uitdagender. De oplossing voor veel problemen als gevolg van uitgestraalde EMI/RFI bestaat vaak uit een eenvoudige RF-afscherming met behulp van een metalen blikje om het getroffen circuit volledig af te schermen.

Deze blikjes zijn standaard verkrijgbaar in een grote verscheidenheid aan maten, samen met een selectie van pc-kaartclips in verschillende configuraties, waardoor de blikjes gemakkelijk kunnen worden bevestigd of verwijderd van de printplaat. Deze clips zijn ook volledig compatibel met apparatuur die wordt gebruikt voor het inbrengen en solderen van SMT verpakte componenten in een volumeproductieomgeving.