Verificação de blindagem EMI em nível de placa para ignição de plasma de alta tensão

Verificação de blindagem EMI em nível de placa para ignição de plasma de alta tensão

Sumário

Uma placa de ignição de plasma não deve irradiar nada enquanto gera 20 kV. A parede da caixa nunca é um problema, pois 0.05 mm de aço já absorvem 64 dB a 10 MHz. Os limites reais são as aberturas, a indutância da fita de ligação e a passagem de kV. Este artigo apresenta um método de verificação em campo próximo, os cálculos por trás de cada ponto fraco, quatro pontos críticos, seis etapas de projeto e os parâmetros do capacitor que mantêm os dois domínios silenciosos.

1. Introdução

Cada placa de ignição de plasma apresenta uma contradição. Ela precisa gerar de 20 a 25 kV a uma frequência de 20 a 200 kHz para iniciar o arco, e ao mesmo tempo precisa manter essa energia longe do controlador, do painel do operador e dos equipamentos vizinhos no chão de fábrica.

A blindagem em nível de placa é a solução usual: invólucros, cercas, planos de aterramento e capacitores de passagem. Em aplicações de alta tensão, a blindagem geralmente é especificada a partir de uma folha de dados e um modelo CAD, em vez de uma medição. Um invólucro de aço revestido fica convincente em uma renderização.

O resultado é uma blindagem que promete 40 dB e entrega de 6 a 10 dB, porque suas junções não são coladas no espaçamento correto, sua conexão de aterramento é uma única tira fina ou o cabo de kV passa pela parede como um fio desencapado em um orifício superdimensionado.

Placas de alta tensão adicionam uma segunda restrição. Uma carcaça metálica colocada muito perto de um nó de kV remodela o campo elétrico, aumenta a tensão local e pode iniciar uma descarga parcial. A blindagem, então, troca um problema de emissão por um problema de isolamento. Este artigo apresenta um método de verificação para um módulo de ignição de 20 kV.

2. Mecanismo Central

2.1 Eficácia de blindagem e o termo de absorção

A eficácia da blindagem compara o campo incidente com o campo que consegue atravessar a blindagem.

SE(dB) = A + R + B

onde SE = eficácia de blindagem, A = perda por absorção na parede, R = perda por reflexão nas duas interfaces ar-metal e B = correção de re-reflexão. O termo de absorção aumenta com a espessura da parede.

A = 8.686 · t / δ, δ = √(2 / (2πf · μ · σ))

onde t = espessura da parede, δ = profundidade de penetração, f = frequência, μ = permeabilidade e σ = condutividade. Para o aço com condutividade de 1.1 MS/m e permeabilidade relativa de 500, a profundidade de penetração a 10 MHz é de 6.8 µm. Uma folha de 0.05 mm, portanto, proporciona 64 dB de absorção por si só, e uma lata de 0.5 mm proporciona 640 dB. A parede nunca limita um projeto prático.

2.2 Aberturas e costuras

Qualquer abertura começa a vazar acima de sua frequência de corte, que depende da maior dimensão.

f_c = 150 / d

onde f_c = a frequência de corte em GHz e d = a maior dimensão da abertura em mm. Uma abertura de 50 mm é transparente acima de 3 GHz, portanto, é inofensiva em frequências de ignição. Uma costura longa e fina comporta-se como uma fenda e ressoa em sua própria frequência de meia onda.

f_res = 0.15 / L

onde f_res = a frequência de ressonância da costura em GHz e L = o comprimento da costura em metros. Uma costura de 100 mm ressoa a 1.5 GHz. Isso ainda está acima da banda de ignição, razão pela qual uma costura sozinha não explica um resultado de 10 dB.

2.3 A fita de fixação transforma a lata em uma antena.

A única tira que prende a lata ao plano de base possui indutância, e essa indutância define o potencial da lata.

Z_bond = 2πf · L_g

onde Z_bond = impedância da ligação, L_g = indutância da fita e f = frequência. Uma fita de 200 mm a 20 nH/cm suporta 400 nH, o que corresponde a 126 Ω a 50 MHz. A lata então flutua na corrente de ignição, e a junção que parecia inofensiva começa a irradiar.

A ligação precisa ser curta, larga e repetida. A 100 MHz, um vigésimo do comprimento de onda corresponde a 15 cm. Uma impedância de ligação inferior a 1 Ω nessa frequência requer 1.6 nH ou menos, o que somente um clipe SMT ou uma trança direta podem fornecer.

2.4 A passagem de kV e o caminho conduzido

O cabo que transporta 20 kV para fora da caixa funciona como um condutor de tensão, a menos que a terminação na parede esteja blindada. Um capacitor de passagem cerâmico desvia a linha de kV em vez de deixá-la passar.

|V_out/V_in| = 1 / √(1 + (2πf · R_src · C_ft)²)

onde R_src = a impedância da fonte de ignição e C_ft = a capacitância de passagem. Com 1 kΩ e 4.7 nF, a frequência de corte está em 33.9 kHz, portanto a passagem já está 3.6 dB abaixo na frequência fundamental de ignição de 20 kHz e 15.5 dB abaixo em 200 kHz. Essa redução conduzida atua em conjunto com a blindagem irradiada da carcaça e não precisa de nenhuma abertura para ser perfeita.

Figura 1 — A parede absorve 64 dB a 10 MHz, portanto, a eficácia de blindagem medida segue o tamanho da abertura, a indutância da ligação e a capacitância de passagem em kV.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: A eficácia da blindagem nunca é medida na primeira construção.

As folgas nas juntas, a indutância da fita e as ressonâncias da abertura reduzem a SE (eficácia efetiva) entregue a uma fração do valor especificado na folha de dados. A falha então aparece nos testes de EMC (compatibilidade eletromagnética) em nível de sistema, meses depois da fabricação e do pagamento das ferramentas. Um mapeamento de campo próximo no primeiro protótipo custa um dia de trabalho.

Ponto problemático 2: A alça de fixação vibra junto com a lata.

Uma única tira de 20 a 50 nH forma um ressonador LC com a capacitância da lata. De 30 a 80 MHz, esse ressonador amplifica a emissão em vez de suprimi-la, e o amplificador se situa em uma faixa na qual os harmônicos de ignição ainda estão presentes.

Problema 3: Um cabo kV exposto passando por um orifício de tamanho excessivo.

A extremidade de um fio desencapado aumenta o campo local, de modo que a abertura de passagem irradia em todas as suas extremidades, e a mesma extremidade afiada pode iniciar uma descarga parcial. A descarga adiciona ruído de banda larga à própria medição que a blindagem deveria proteger e, com o tempo, corrói o isolamento.

Problema 4: A lata remodela o campo elétrico.

Uma lata colocada perto do transformador de ignição ou do divisor aumenta o pico do campo em 20 a 40%. Um projeto de isolamento sem margem de segurança descarrega então na sua tensão nominal, e a blindagem torna-se a causa da falha que deveria prevenir.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Mapeie o campo antes de tocar na ligação.

Analise o campo magnético (H) sobre a superfície da lata em 10 MHz, 50 MHz e 200 MHz com o ignitor em funcionamento. Pontos quentes aparecem nas junções, cantos e na passagem de cabos. Repita o processo de ligação e o layout da abertura até que a eficiência de isolamento (SE) atinja 30 dB em cada harmônico de ignição.

Estratégia 2: Substituir a alça por fixação multiponto.

Conecte a cápsula ao plano de base a cada 15 cm, no mínimo, o que corresponde a um vigésimo do comprimento de onda a 100 MHz. Utilize tranças curtas e largas ou clipes SMT diretos e, em seguida, verifique a impedância da conexão com um analisador de redes. O valor exigido é de 1 Ω ou menos a 100 MHz.

Estratégia 3: Utilize passagens de cerâmica blindadas para cada condutor de kV.

Encaminhe cada sinal de kV através de um capacitor de passagem cerâmico ou de um bujão cerâmico dedicado, dimensionado para a tensão total do nó. Teste a integridade do conjunto com uma descarga a 1.2 vezes a tensão nominal e exija um valor de pC inferior a 5%. Nunca passe um fio desencapado por um orifício de tamanho excessivo.

Estratégia 4: Defina a folga da lata a partir de uma simulação de campo.

Execute uma simulação eletrostática do módulo blindado e mantenha uma folga de 15 a 25 mm por 10 kV entre a carcaça e o nó de kV mais próximo. Isso impede que a carcaça atue como um eletrodo concentrador de campo.

Estratégia 5: Verificar também o percurso realizado.

Adicione uma medição de emissão conduzida na porta de alimentação com a blindagem instalada e confirme se a combinação de passagem e filtro mantém a banda de 150 kHz a 30 MHz abaixo do limite da classe B com 6 dB de margem. Os resultados de emissão irradiada e conduzida devem ser registrados em conjunto, pois a blindagem pode afetar um deles sem afetar o outro.

Estratégia 6: Incluir a verificação no pacote de lançamento

Registre as posições das sondas, as curvas SE, os certificados de descarga e as fotografias de cada amostra unitária. Isso transforma a blindagem de uma mera reivindicação em uma propriedade que pode ser transferida do protótipo para a produção.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Capacitância de passagem	4.7 nF N4700 Classe I	1 MHz, 1 V rms
Frequência de canto conduzida	KHz 33.9	Impedância da fonte de ignição de 1 kΩ
Atenuação conduzida	15.5 dB a 200 kHz	no condutor de kV
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	hi-pot 1.5 × por 60 s
Eficácia de blindagem medida	30 dB ou melhor	10 a 200 MHz, pode ser instalado
Impedância de ligação	1 Ω ou menos	100 MHz, após ligação multiponto
Coeficiente de temperatura	±30 ppm/°C	-40°C a +125°C
Fator de dissipação	abaixo de 0.1%	1 MHz, 1 V rms
Descarga parcial	abaixo de 5 pC	a 1.2 × a tensão nominal
folga entre a lata e o kV	15 a 25 mm por 10 kV	simulação eletrostática

5. Capacitores HVC para a passagem blindada

Um capacitor de passagem precisa manter seu valor e permanecer eletricamente silencioso simultaneamente. A HVC fabrica capacitores de passagem e de filtro cerâmicos Classe I de 1 kV a 100 kV em uma fábrica própria em Dongguan.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Canto de condução estável. Um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C mantém o canto de 33.9 kHz em toda a faixa de operação, de modo que a atenuação de interferência é repetível de unidade para unidade.
• Baixa perda na capacidade de filtragem. Um fator de dissipação inferior a 0.1% permite que o componente fique próximo ao estágio de comutação sem aquecimento localizado ou redução da vida útil.
• Uma família para cada nó. As classificações de 1 kV a 100 kV abrangem a passagem de ignição de 25 kV, o barramento de filtro de 600 V e os estágios de filtro de baixa tensão a partir de um único arquivo de qualificação.
• Descarga parcial abaixo de 5 pC. Cada passagem é blindada, de modo que a blindagem não troca emissão irradiada por ruído de descarga conduzida.
• Tolerâncias dimensionais rigorosas. Os componentes HVC são fabricados com tolerâncias de eletrodo e corpo que mantêm o comportamento da impedância uniforme em todos os lotes de produção, de modo que os resultados do protótipo sejam transferidos para a linha de produção.
• Substituição comprovada em campo. 40 kV / 441 pF capacitores maçaneta substituíram peças importadas de primeira linha em programas de serviço de campo onde a disciplina de descarte é contratual. Um documento publicado referência cruzada A tabela mapeia os números de peças importadas comuns para seus equivalentes em HVC.

Entrega e suporte

Os terminais de passagem padrão são enviados em 4 a 8 semanas, e os conjuntos blindados em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações oferece suporte ao projeto da abertura, ao layout de colagem e à seleção do terminal de passagem. Envie a frequência de ignição, o nível de kV e o SE alvo. A HVC retorna um conjunto de componentes e um plano de teste em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

Q1: Quanta blindagem a parede metálica oferece por si só?

A 10 MHz, uma folha de aço de 0.05 mm absorve 64 dB, enquanto uma lata de 0.5 mm absorve muito mais. A profundidade de penetração no aço a 10 MHz é de 6.8 µm, portanto a espessura nunca é o fator limitante. O que limita são as aberturas e as conexões.

Q2: Por que uma junta de 100 mm não causa a falha?

Uma junta de 100 mm ressoa a 0.15/L = 1.5 GHz, bem acima da faixa de ignição de 20 a 200 kHz. O resultado medido de 6 a 10 dB geralmente provém da fita de ligação.

Q3: Qual é o valor aceitável de impedância de ligação?

O objetivo é obter uma indutância de 1 Ω ou menos a 100 MHz, o que significa uma indutância de ligação de 1.6 nH. Uma fita de 200 mm com 20 nH/cm resulta em 400 nH e atinge 126 Ω a 50 MHz, portanto, a ligação em múltiplos pontos a cada 15 cm é a solução prática.

Q4: O que um capacitor de passagem realmente faz?

Ele desvia a linha de kV para o chassi. Com 4.7 nF e uma fonte de 1 kΩ, a frequência de corte é de 33.9 kHz, portanto a interferência é reduzida em 3.6 dB a 20 kHz e 15.5 dB a 200 kHz. Isso reduz a fuga conduzida sem a necessidade de uma abertura perfeita.

Q5: Qual a distância mínima que a lata pode ficar de um nó de kV?

Mantenha uma distância de 15 a 25 mm por cada 10 kV. Uma lata colocada mais perto remodela o campo, aumenta a tensão máxima em 20 a 40% e pode levar um projeto de isolamento com desempenho abaixo do ideal à descarga na tensão nominal.

Q6: Quais partes devem ser incluídas em uma única execução de verificação?

O filtro 4.7 nF Dielétrico de classe I passagem, o capacitor de filme para o filtro de barramento e o diodo retificador Todas as braçadeiras estão localizadas no mesmo caminho condutor, portanto, um plano de teste com um mapa de campo próximo as abrange em conjunto.

7. Referências

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