Bir önceki bölümde conducted emission tarafında kablo üzerinden akan parazitleri “yakalamaya” çalıştık ve bunların basit filtrelerle nasıl bastırabileceğimizi tartıştık. Bu sinyallerle uğraşmak nispeten kolaydır; çünkü sistemin sınırları, akım yolu bellidir ve LISN koyduğumuz noktada hikâye büyük ölçüde kontrol altındadır. Fakat konu radiated emission’a geldiğinde oyun tamamen değişir. Artık kablonun içinden değil, havanın içinden konuşmaya başlarız; PCB üzerindeki her loop, her hızlı kenar, her parasitik antene dönüşür ve sistem istemeden bir RF verici gibi davranır. Üstelik bu sefer sadece kendi tasarımımız değil; yerleşim, kablo geçişleri, kutu, hatta ortam bile sonucu etkilemeye başlar. Yani ölçtüğümüz şey sadece “devre” değil, komple fiziksel sistemin kendisi olur. Bu yüzden radiated emission testleri genelde EMC sürecinin en zor, en sürprizli ve en çok “nasıl geçtim?” dedirten kısmıdır.
Kök Sorun: Radiated Gürültü Neden Oluşur?
Radiated emission’ın kök nedeni aslında çok basit bir fizik kuralına dayanır: zamanla değişen akım ve gerilimler elektromanyetik alan üretir ve bu alanlar birbirini üreterek uzayda yayılırlar. Yani devrenin bir yerlerinde yüksek dI/dt ya da dV/dt varsa, orası potansiyel bir “anten”dir. Güç elektroniği tarafında da zaten tam olarak bunu yapıyoruz: hızlı anahtarlama!
Yukarıdaki yapıyı göz önüne alıp, bahsettiğimiz konuyu biraz daha açacak olursak:
1) Akım Yolları (current loop) Manyetik Alan (H-field) Yayar
Bir anahtarlama döngüsünde (örneğin MOSFET–diyot–kondansatör loop’u) akım ne kadar hızlı değişiyorsa ve loop alanı ne kadar büyükse, o kadar güçlü manyetik alan yayarsın. Bunu en çok anahtarlama birleşimlerinde görürüz. Sonuç olarak:
– Büyük loop alanı = büyük anten
– Yüksek dI/dt = güçlü radyasyon demektir.
Bu yüzden “loop’u küçült” lafı EMC’de klişe değil, doğrudan fiziksel bir olgudur.
2) Gerilim Geçişleri (dV/dt) Elektrik Alan (E-field) Yayar
MOSFET, IGBT hatta transistör gibi anahtarların gövdelerinde yüksek dV/dt içeren sinyaller oluşur. Bu noktalar soğutucuya, çevreye hatta havada olsa dahi çevreye kapasitif olarak bağlıdır. I=C·dv/dt formülünden hatırlayacağımız gibi değişken bir gerilim, kapasiteden akım akıtabilir. Böylelikle sızıntı akımları uzaya bu şekilde yayılır.
3) Parazitik Kapasitans ve Endüktanslar Kontrolsüz Yollar Oluşturur
Şematikte olmayan ama gerçekte var olan şeyler; MOSFET–heatsink arası kapasitans, trafo sarımları arası kapasitans, PCB katmanları arası coupling gibi etmenler istenmeyen kapasitanslar oluşur. Yüksek frekans altında bu kapasitelerden akımlar akmaya başlar ve bu yüksek frekansta akımın “kestirme yollar” bulmasına neden olur. Bu akımlar çoğu zaman kasa ya da kutu üzerinden üzerinden kapanır ve sonuç kutu üzerinden bir radyasyon yayılımı anlamına gelir. Aynı şekilde oluşan parazitik endüktanslar ise birer anten gibi davranarak benzer etkiyi gösterirler.
4) Kablolar En Güzel Antenlerdir
PCB üzerinde oluşan gürültü bir şekilde kabloya bindiği anda iş büyür. Çünkü 10–50 cm bir kablo bile, arabalarınızın antenlerinden aklınıza gelsin, MHz bandında gayet iyi anten olur. Özellikle oluşan common-mode akımları kablo üzerinden doğrudan yayılıma başlar. Hatta çoğu zaman radyasyonun kaynağı PCB değil, PCB’den kaçan akımın kablo üzerinden yayılmasıdır.
5) Kutu ve Mekanik Kafes de Olabilir Anten De…
İyi bir kutu elektromanyetik radyasyonu kendi üzerinde soğurur ve genellikle bunu ya devre içerisinde tutar ya da toprağa aktarır. Fakat EMC düşünülmeden tasarlanan ya da yanlış malzeme seçimi ile tasarlanan kutu ise slot anten gibi davranabilir, açıklıklarından sinyal sızdırır. Özellikle vidalar, açıklıklar ciddi radyasyon noktalarıdır.
Tüm bunlardan yola çıktığımızda radiated emission, tek bir sebepten değil;
– Yüksek dI/dt
– Yüksek dV/dt
– Büyük loop alanı
– Parazitik coupling
– Kablolar ve mekanik etkiler
gibi hepsinin birleşiminden oluşur.
Ve asıl olarak radyasyon yayan bir devre bizlere; “Sen bir devre tasarladığını sanırsın; fakat fizik sana onun aslında bir anten gibi davrandığını söyler.” demektedir.
Radiated Emission Test Standartları
Özellikle radyo iletişiminin yaygınlaşmaya başladığı 1930–1950 yılları arası, elektronik cihazların yaydığı istenmeyen elektromanyetik alanlar, radyo alıcılarında ciddi parazitlere neden oluyordu. Özellikle askeri iletişimin önemli olduğu İkinci Dünya Savaşı sonrasında elektronik sistemlerin hızla yayılmasıyla bu durum daha da kritik hale geldi. Radar sistemleri, askeri haberleşme ekipmanları ve sivil yayıncılık aynı elektromanyetik ortamı paylaşmaya başladı. Bu da birbirini etkileyen birçok cihaz anlamına geliyordu. Bu konu üzerine kafa yoran insanlar sonunda şunu fark ettiler: Her cihaz aslında farkında olmadan bir verici haline geliyordu ve bu kontrol edilmezse dünya elektromanyetik bir çöplüğe dönüşecekti.
Bunun sonucunda ilk regülasyonlar ortaya çıktı. ABD’de Federal Communications Commission (FCC) 1934’te kurulmasına karşın asıl EMC anlamında sıkı kurallar 1960’lardan sonra devreye girdi. Avrupa tarafında ise bugün bildiğimiz CISPR standartları (özellikle CISPR 11, CISPR 22/32) geliştirildi.
Endüstride aşağıda görebileceğiniz üzere Class A ve Class B olmak üzere iki adet RE limiti çok sık kullanılmaktadır. Cihaz gücüne göre limitler Class A seviyesine çıkarılabilir. Test sonucunda ölçüm sinyalinin limitler altında olması beklenir.
Askeri tarafta ise MIL-STD-461 RE test kurallarını tanımlar. Yalnız bu kurallar cihazın tasarlandığı alana (hava, kara, deniz vb.) göre çok fazla özelleşmektedir.
Yukarıda görülebileceği gibi Mil-Std standartları endüstri standartlarının çok ötesinde frekanslardaki gürültüleri de inceler.
RE Test alanı, test alanları içerisinde en farklı olanlarındandır. Anechoic chamber olarak adlandırılan bu odalar, EMC/RF testlerinde kullanılan, dış dünyadan elektromanyetik olarak izole edilmiş ve yansımaları minimuma indirilmiş özel bir test odasıdır. Buradaki asıl amaç içeride oluşan elektromanyetik dalgaların duvarlara çarparak geri dönmesini engellemek böylelikle cihazın oluşturduğu “saf” gürültüyü ölçebilmektir.
Bu odalarda olabildiğince elektromanyetik yayılım yapan cihaz bulundurulmaz, masa vb. gibi ortamlar yalıtkan hatta olabiliyorsa tahtadan yapılırlar. Anechoic chamber altyapısı; yüksek performanslı RF absorber’lar, geniş bant anten sistemleri, hassas ölçüm ekipmanları ve elektromanyetik olarak izole edilmiş özel bir yapı gerektirdiği için ciddi bir yatırım maliyeti oluşturur. Bu nedenle bu tür tesislerin kurulumu oldukça pahalıdır ve buna bağlı olarak her bir radiated emission testi için talep edilen ücretler de doğal olarak yüksek seviyelerdedir.
Peki Radiated Emission Testinden Nasıl Geçeriz?
RE testlerinden geçmenin en önemli adımı gürültüyü kaynağında yok etmeye çalışmaktır. Gürültü genellikle anahtarlama elemanları ve manyetik eleman üzerinden yayılım eğilimi gösterir.
Öncelikle ilk kural anahtarlama akımlarının yollarını olabildiğince kısa tutmak, stray endüktansı azaltmaktır. Yukarıdaki gibi modüllerin kullanım amaçlarından biri budur. Mosfet, diyot, IGBT gibi yapılar die üzerinden olabildiğince kısa olacak şekilde birbirlerine bağlanırlar. Yalnız discrete ürün kullanacağımız tasarımlarda PCB çizerken ya da fiziksel yerleşim yaparken bu yolların kısalığı çok önem arz etmektedir.
Yapmış olduğum bir uygulamada 10mm ve 1mm aralıkla yerleştirilmiş iki adet mosfetin etkisi görülebilmektedir. Mosfetleri birbirine yaklaştırmanın etkisi sağdaki sinyalde kendini göstermiştir. Anahtarlama frekansı 16kHz olsa da, birbirinden uzak mosfetlerin yüksek frekans bileşenleri çok daha yüksek olmakta ve RE testinde sıkıntılar yaşatabilmektedir.
RE testini zora sokan en önemli etkenlerden biri de dV/dt’dir. Yüksek anahtarlama hızlarına ulaşan SiC ve GaN gibi anahtarlar günümüzde popüler hale gelse de yüksek anahtarlama hızları özellikle yüksek gerilim uygulamalarında yüksek yayılıma neden olabilmektedirler.
Yukarıda benzer devrelere sahip fakat SiC ve GaN ile anahtarlanan noktanın gerilimleri görülmektedir. GaN, SiC’a göre x10 kat daha hızlı açıldığından, dV/dt etkileri çok daha fazla olmakta ve yukarıda da görebileceğiniz gibi yüksek frekans bileşenleri yayılmaktadır. Bunun önüne geçmek için gate direnci artırılabilir fakat bu da ekstra kayıp anlamına geleceğinden yüksek hızlı anahtar kullanmanın anlamını geçersiz kılar. Dolayısı ile bu etkileri yok etmenin en iyi yöntemi kaçak kapasitans ve endüktans yollarını azaltacak şekilde yerleşim ve çizim yapmaktır.
Snubber kullanmak da ayrıca RE konusunda bize yardımcı olmaktadır. Solda snubber kullanılmamış devrenin anahtarlama yapısı, sağda ise küçük güçte bir snubber devre kullanılmış devrenin anahtarlama sinyali gözükmektedir. Snubber her ne kadar ısıl kayba neden olsa da hem CE hem de RE testi için bizlere en iyi sonucu kolay yoldan sunabilmektedir.
Özellikle Flyback, LLC trafoları ya da bobinler gibi manyetik elemanlarda bobin değerinin değişmemesi için hava boşluğu kullanırız. Yalnız bu hava boşluklarından daha önce burada bahsettiğimiz gibi manyetik akılar dışarı doğru akmaya başlar. Özellikle yüksek frekans uygulamalarında bu manyetik alan çevre ile etkileşerek elektromanyetik sinyal yayılımına neden olabilir. Bunun önüne geçmek için hava boşluğunun etrafına bir akı bandı sarılabilir. Ayrıca primer ve sekonder sargılarının oluşturacağı kaçak kapasitansın etkisini de azaltmak için shield sargısı sarılıp gerekirse devre toprağına verilebilir.
Cihaz içerisinde kullanılan kabloların, uygun olanlarının mutlaka twisted pair, bunun üzerine de yapılabiliyorsa EMI özellikli ekranlar geçirilmelidir. Böylelikle ne kablolar dış dünyaya sinyal verebilecek ne de dışarıdan gelen sinyallerden etkilenebileceklerdir. Elbette uygun durumlarda ekranların toprağa verilmesi pozitif etki oluşturabilir.
Özellikle uzun güç hatlarından sonra anahtarlama modüllerinin üzerinde yüksek dI/dt ve dV/dt’ye dayanıklı snubber kapasiteler kullanılması hem CE hem de RE testinden geçmek için çok önemlidir. Yukarıda mavi şekilde görülebilecek snubber kapasitesi, aynı entegrelerin decoupling kapasitörü gibi davranarak yüksek darbeli akımların kendi üzerinden geçmesini sağlayarak devrenin geri kalanına olabildiğince gürültünün gitmemesini sağlar.
Buraya kadar gelip, devre ve kablo önlemlerini alsak da bazen RE çözüme kavuşmaz. Son çare olarak yukarıda çeşitli şekillerde ve ebatlarda olan EMI gasget kullanarak kutularımızı kapatma yoluna gideriz. Buradaki amaç gürültünün olabildiğince dışarı çıkmasını engellemek olsa da bu yapının CE testlerinde negatif etki yaratabileceğini unutmamak gerekir.
Yukarıda 5.0kW gücünde gerçek bir ürünle girmiş olduğum RE test sonucunu görebilirsiniz. Bu cihaz endüstriyel olduğu için Class-B standardına göre testten geçmişti. Cihazda yukarıda bahsettiğim kuralların hepsine uyulmasına karşın geçmenin neredeyse 2 hafta sürdüğünü belirtmek isterim.
Sonuç Olarak…
Radiated emission konusu teoride basit görünse de pratikte tamamen “detay mühendisliği” işidir. dI/dt, dV/dt, loop alanı, kablo yerleşimi, manyetik elemanlar ve mekanik yapı; hepsi tek başına küçük etkiler gibi görünse de birleştiğinde ciddi bir RF yayılımına dönüşür. Bu yüzden RE testinden geçmek çoğu zaman tek bir çözümle değil, onlarca küçük iyileştirmenin toplamıyla mümkün olur.
İşin en kritik noktası ise şudur: Bu problem test odasında çözülmez, tasarım aşamasında çözülür.
İyi bir yerleşim, doğru komponent seçimi ve fiziksel farkındalık ile RE problemi baştan minimize edilebilir. Aksi durumda ise test süreci, sürekli dene–ölç–tekrar dene döngüsüne girer ve ciddi zaman kaybına neden olur.
Kendi tecrübemden de gördüğüm gibi, tüm kurallara uyulsa bile RE testinden geçmek bazen günler, hatta haftalar sürebilir. Bu yüzden EMC’yi bir “son kontrol” değil, tasarımın ayrılmaz bir parçası olarak görmek gerekir.
Çünkü günün sonunda: Geçen devre iyi devredir. Geçmeyen devre sadece çalışıyor gibi görünen bir prototiptir.
Görüş ve sorularınızı yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim!