Как экономически эффективно обеспечить электромагнитную совместимость IoT-устройств

Любая радиоэлектронная аппаратура (РЭА), в том числе и устройства «Интернета вещей» (Internet of Things, далее — IoT-устройства), чтобы получить столь желанный сертификат соответствия от регулирующих органов, должна пройти полный цикл испытаний на электромагнитную совместимость [1]. Традиционно это всегда было дорогостоящим мероприятием [2], состоявшим из нескольких поездок, как правило, в удаленный испытательный центр, где для окончательного утверждения порой требовались многочисленные переделки [3]. В эпоху «Интернета вещей» это не самый удобный путь, который можно принять как неизбежную данность, но есть куда более целесообразные варианты.

В настоящее время «Интернет вещей» изменил буквально все. Уже сейчас беспроводные технологии не только предоставили нам самые широкие возможности сбора данных для анализа, но и благодаря комплексным решениям сделали более удобным применение различных устройств. В промышленности аналитика с поддержкой IoT улучшает рабочие процессы, повышает их безопасность, а в итоге положительно влияет на показатели эксплуатации оборудования и производительность, одновременно открывая возможности для новых бизнес-моделей, например прогнозного, а не планового технического облуживания. Тем не менее у разработчиков электронных систем и потребительских товаров это вызвало и целый ряд проблем. Одни из них очевидны, другие скрыты, а потому коварны.

Начнем с того, что, как уже было сказано, сегодня наблюдается повсеместный спрос на беспроводные соединения, будь то Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, сотовая связь или другие варианты, в том числе с низким энергопотреблением, с большим покрытием, такие как LoRaWAN, Sigfox, Narrow band-IoT (NB-IoT) или LTE Cat 1 [4]. Кроме того, мы сталкиваемся с ситуацией, когда в одном устройстве присутствует нескольких различных радиочастотных интерфейсов. Это очень удобно для пользователей, но одновременно становится кошмаром для разработчиков и конструкторов, многие из которых не являются экспертами в области техники высоких частот и теории электромагнитных волн. Возможно, они овладели искусством обеспечения того, чтобы источники питания больше не мешали цифровым каналам даже при компактной упаковке. Проблема здесь в том, что беспроводное соединение переводит все это на совершенно новый уровень сложности — от размещения и прокладки антенны до проектирования высокочастотных цепей 900 МГц – 5 ГГц, где каждая линия связи может и должна рассматриваться как микрополосковая с рассредоточенными параметрами. Трудности в решении столь непростой задачи сильно повлияли на многие графики поставки продукции, и проблема только усугубится с широким внедрением технологии 5G, миллиметровыми волнами и частотами 28 ГГц и выше.

Несомненно, амбициозные разработчики будут создавать собственные радиочастотные схемы, в чем нет ничего плохого. Но это, как правило, под силу крупным проектным группам, поскольку требует не только создания схемы такого каскада, но и его увязки в систему. Можно, конечно, не изобретать велосипед, на первый взгляд достаточно простым кажется получить от известного производителя хорошую радиочастотную интегральную микросхему, посмотреть ее спецификацию (datasheet), сделать рекомендуемую обвязку, наложить на нее какое-то экранирование, разместить и проложить антенный фидер — и все готово. Может быть. Однако упомянутые тенденции изменили подходы к проектированию, и особенно к конструированию, что заставило разработчиков переосмыслить подход к проектированию современной РЭА.

Основные факторы, влияющие на конструкцию современной малогабаритной РЭА, а тем более на IoT-устройства, — это меньшие форм-факторы, более высокая степень интеграции, высокая плотность электронных компонентов на 1 дюйм² площади печатной платы. Кроме того, общая сложность системы, более высокие тактовые частоты, множественные и распределенные шины питания с быстродействующими переходными процессами, и не забываем про излучение ЖК-дисплея. Все это интегрируется в одном IoT-устройстве и нацелено на обеспечение более высокой скорости передачи данных между центральным процессором (ЦП) и памятью. Это очевидные классические тенденции, создающие интересные, но и сложные проблемы, которые одни дизайнеры на самом деле любят решать, хотя время выхода на рынок и сокращающиеся бюджеты накладывают определенные ограничения, для других же это превращается в вызов.

Однако, как уже упоминалось, при проектировании есть еще два момента, и именно они становятся причиной немалых проблем и одновременно предоставляют больше возможностей для дифференциации благодаря инновационным подходам к ускорению перехода для обеспечения ЭМС РЭА и, в частности, устройств IoT.

Все перечисленные факторы и тенденции, которые являются прямым результатом самой природы IoT-устройств, заключаются в необходимости сочетать источники питания, высокопроизводительные цифровые схемы и радиочастотные интерфейсы в компактных форм-факторах для продуктов, быстро падающих в цене. Причем удешевление идет настолько стремительно, что соотношение сложности и цены становится неприемлемым для создания высококачественных, но при этом недорогих систем, например для «умного» дома, столь привлекательного для такой РЭА, как IoT-устройства. Даже производители мобильных телефонов и планшетов, которые, как правило, могут взимать дополнительную плату за сам бренд, более высокие характеристики и функциональные возможности, по мере роста сложности и уменьшения форм-факторов также испытывают трудности, но уже по причине высокой конкуренции.

Для решения проблем ЭМС, в частности влияния электромагнитных помех (ЭМП), ранее вполне достаточно было просто разместить экранирование вокруг ключевых компонентов, таких как радиочастотные цепи. Накрыл их штампованным экранчиком — и все в порядке. Это позволяло уменьшить их восприимчивость к помехам от высокоскоростных цифровых тактовых импульсов и гармоник от переходных процессов и не позволяло им самим быть источниками помех для других каскадов и работающего рядом оборудования. Тем не менее, поскольку плотность и сложность возросли, теперь нередко приходится экранировать буквально все и вся, как, например, в случае с планшетом Galaxy Tab S4 LTE компании Samsung [5], приведенным на рис. 1.

Рис. 1. Раньше было вполне достаточно экранировать пару ключевых цепей, но разработчики планшета Galaxy Tab S4 LTE, чтобы гарантированно обеспечить требования по ЭМС, заэкранировали буквально каждый блок. Четыре прямоугольных серебряных элемента по углам — это динамики, а не цепи

Планшет Galaxy Tab S4 LTE компании Samsung является ярким примером современного конструктивного решения «в лоб» и дизайна потребительского уровня с точки зрения плотности, производительности и сложности, причем это не дешевое удовольствие: цена планшета в РФ — 42 999 руб., что эквивалентно $670. Однако большинство проектов в пространстве IoT, от бытовой техники и аудиопотоковых систем со встроенными голосовыми помощниками до носимых устройств, не могут стоить так дорого, что вынуждает дизайнеров находить способы снизить затраты как на их разработку (ОКР), так и на тестирование, включая сертификацию.

Ускорение и упрощение ЭМС-тестирования — путь к снижению стоимости

Можно ли ускорить цикл проектирования и тестирования при использовании в РЭА модулей питания и радиочастотных модулей? Ответ: можно, так как все они, если это не безымянная подделка, уже предварительно сертифицированы, что экономит и время, и ресурсы. Тем не менее многие проектировщики наивно и ошибочно полагают, что покупка готового модуля означает, что в отношении соблюдения требований и соответствия национальным и международным регулирующим документам по ЭМС и получения сертификата соответствия все будет само собой гарантировано. Нет ничего более далекого от правды [3].

Сложность задачи, решаемой разработчиком современной РЭА, а тем более компактных IoT-устройств, состоит в том, чтобы понять проблемы ЭМС применительно к конкретному проекту и учесть влияние на него ЭМП и найти их источники, а затем еще до отправки во внешнюю лабораторию на сертификацию для выявления и устранения проблем провести самостоятельно тестирование системы на соответствие заданным требованиям. Наряду с затратами времени стоимость самих тестов на соответствие может доходить до десятков тысяч долларов США. Кроме того, необходимо учитывать, что до 90% устройств в первый раз показывает в той или иной степени отрицательные результаты. Это приводит к доработкам и повторному тестированию, иногда по нескольку раз. Затраты быстро накапливаются, особенно если исправление требует не корректировки номиналов или замены тех или иных компонентов РЭА, а полного или частичного изменения конструкции или дизайна. (Переводчик данной статьи как раз попал в такую ситуацию, которая отодвинула на два года выход сложной продукции на рынок [3] из-за того, что главный конструктор проигнорировал требования по ЭМС и понадеялся на свой опыт проектирования.) Чтобы помочь избежать дорогостоящих задержек проекта, очень важно инициировать профилактические меры, такие как контрольные точки цикла проектирования, показанные на рис. 2. Чем раньше разработчик начнет решать проблему ЭМС, тем более низкими окажутся затраты на корректировки проекта.

Рис. 2. Внедрение схемы проверок в контрольных точках проекта перед сертификацией может значительно повысить вероятность выполнения плана разработки РЭА в срок и в рамках бюджета

Еще одна важная причина для проведения предварительных самостоятельных испытаний на соответствие стандартам по ЭМС — чрезмерные затраты на конструктивное решение устройства. Часто конструкторы не отказывают себе в том, чтобы перестраховаться и добавить дополнительные экраны или другие меры предосторожности, которые увеличивают вес, время разработки, повышают энергопотребление и себестоимость (рис. 1). Задача, собственно, состоит в том, чтобы с первого раза пройти испытания на полное соответствие, не выходя за установленные сроки и средства. А стоимость? Для этого есть реклама и потребитель.

Для того чтобы свести к минимуму вероятность проведения нескольких заходов на сертификацию и доработок изделия на соответствие требованиям стандартов по ЭМС, разработчику необходимо самому получить предварительные данные по соответствию требованиям ЭМС. Это не так сложно, как кажется на первый взгляд. В сочетании с широкодоступным испытательным оборудованием и некоторыми «хитростями» можно быстро выявить и устранить проблемы с ЭМС, прежде чем отправлять систему на официальную сертификацию.

Диагностика проблем ЭМС и локализация источников ЭМП

Такие понятия, как ЭМС и ЭМП, часто путают. Чтобы мы могли обсуждать проблемы дальше, давайте внесем ясность. ЭМС занимается проблемами, связанными с тем, чтобы различные части электрического и электронного оборудования могли работать в одной и той же электромагнитной среде, а также влиянием одного оборудования на другое. Это требует, чтобы оборудование имело минимальное нежелательное электромагнитное излучение, то есть уровень ЭМП, а также минимизировало свою восприимчивость к окружающей электромагнитной обстановке, как правило, от близлежащего оборудования или радиопередатчиков большой мощности.

Что касается ЭМП, это фактическая нежелательная электромагнитная энергия, которую разработчики, причем как условно «электронщики», так и ответственные за превращение из идей «в металл» конструкторы, должны в своих проектах подавлять. А также защищать свои конструкции от внешних источников таких помех. Этими источниками могут быть статическое электричество, другие радиостанции, излучения от электродвигателей или источников питания, помехи по сети электропитания, микроволновые печи, гармоники и субгармоники цифровой (то есть импульсной) части системы, а также аудиосигналы. Уровень этих помех зависит от рабочей частоты испытуемого оборудования (ИО), и они могут проявляться в виде как непрерывных, так и случайных сигналов помех. При этом не забываем делать оценку во всех режимах функционирования, в том числе и с допустимыми отказами.

На языке ЭМС система, вызывающая помехи, является источником, а система, которой она подвержена, — ее жертвой. Между ними, источником и его жертвой, находятся четыре варианта связи, или, как говорят, воздействия ЭМП. Это может быть воздействие по полю (электромагнитное излучение), индуктивная и емкостная связи и кондуктивная помеха (электромагнитная помеха, распространяющаяся по проводникам, проводящим конструкциям и «земле») или любая комбинация из всех перечисленных (рис. 3). ЭМП можно рассматривать фрактально в том смысле, что она применяется между малыми или большими системами, которые находятся близко или далеко друг от друга, а также между подсистемами, компонентами, трассировками и антенной внутри системы. Не то чтобы антенны были особенно интересны, поскольку они не только передают и принимают преднамеренные излучения, но дело в том, что они также служат идеальными связующими звеньями проникновения ЭМП в систему и выхода из нее.

Рис. 3. Четыре механизма воздействия ЭМП на РЭА — по полю, через индуктивную и емкостную связь, а также в виде кондуктивной помехи

Принципы ЭМС и механизмы действия ЭМП одинаковы как для соседних устройств, так и для узлов внутри систем. Для простоты в этой статье основное внимание будет уделено единой системе и тому, как спроектировать радиоэлектронное устройство с выполнением требований по ЭМС и как выполнить его тестирование на соответствие требованиям и отладку с помощью стандартного осциллографа среднего уровня.

Проектирование с учетом выполнения требований по ЭМС

Давайте рассмотрим следующие основные принципы ЭМС, чтобы продемонстрировать, что они не изменились еще со времен первого издания знаменитой и популярной книги “Electrical Engineering 101” [6]:

• Будьте предельно внимательны при трассировке сигнальных проводников.
• Помните, что более высокие скорости передачи данных означают больше проблем с электромагнитными помехами.
• Близкое расположение плат ухудшает проблемы, связанные с ЭМП.
• Избегайте острых углов на проводниках печатных плат (хорошие инструменты для разработки печатных плат могут сами определять предельно допустимый угол для печатного проводника на данной рабочей частоте).
• Необходимо иметь максимально большие плоскости заземления.
• Используйте экранированные кабели и корпуса.
• Избегайте разрывов, неоднородностей и резонансов на пути передачи сигналов.

К сожалению, как бы мы ни старались, ЭМП не может быть устранена полностью. Таким образом, работа проектировщика состоит в том, чтобы управлять помехой и снижать ее уровень, применяя для этого фундаментальные принципы в сочетании с накопленным опытом и собственными ноу-хау.

Предварительные испытания и отладка

Как только проект IoT-устройства уже находится на стадии прототипа и установлены контрольные этапы проверки предварительного соответствия требованиям по ЭМС, следующая задача разработчика либо полностью изолировать ИО от окружающих помех, либо учитывать помехи из окружающей среды во время проведения испытаний. Опять же источники помех также не могут быть устранены, но вероятность действия таких помех может быть определена, а уровни их воздействия уменьшены.

Для сканирования и поиска помех в широком диапазоне частот необходимо использовать хороший измерительный приемник электромагнитных помех с фильтрами преселекции и широким динамическим диапазоном, например R&S ESW, R&S ESR. Такое решение представляется лучшим вариантом, однако является далеко не бюджетным и не всегда практически удобным. В качестве альтернативы, но с некоторыми допущениями, можно использовать и анализаторы спектра. Начните с измерения уровня электромагнитного фона и учета любых присутствующих в нем сигналов. Анализаторы спектра, такие как R&S FPC1500 компании Rohde & Schwarz [7], дополненные специальным программным обеспечением R&S ELEKTRA [8], позволяют проводить измерение ЭМП с заданными предельными линиями определенных стандартов или заданных вручную пользователем (рис. 4). Программное обеспечение для испытаний на ЭМС R&S ELEKTRA — это модульное программное решение, позволяющее как выполнять анализ помехоэмиссии с помощью анализаторов спектра, так и полностью автоматизировать весь процесс испытаний на ЭМС в соответствии с требованием стандартов по уровням излучения ЭМП и помехоустойчивости. ПО R&S ELEKTRA существенно упрощает настройку испытательного оборудования и его калибровку, а также значительно ускоряет выполнение испытаний, сводит к минимуму возможные ошибки оператора и создает подробный протокол испытаний.

Рис. 4. В режиме приемника анализаторы спектра могут имитировать работу более дорогостоящих измерительных приемников ЭМП, однако следует убедиться, что у вас имеется квазипиковый (QP) детектор, а также подходящая измерительная антенна

При использовании анализатора спектра для получения минимальных имеющих практическую ценность значений потребуется наличие квазипикового (QP) детектора и направленной антенны. Для IoT-устройств желательно использовать анализатор спектра с частотным диапазоном 5 кГц – 5 ГГц, поскольку понадобится не только обнаружение помеховых сигналов в диапазоне частот до 1 ГГц, в соответствии с требованиями стандартов [2], но и помех от сетей Wi-Fi с частотой до 5 ГГц. Кроме того, будет весьма полезен встроенный векторный анализатор цепей (vector network analyzer, VNA), поскольку его можно применить для согласования полного сопротивления антенны с радиочастотным модулем в случае, если встроенная радиочастотная антенна отсутствует. Некоторые анализаторы спектра также имеют встроенный генератор сигналов, который можно использовать для того, чтобы генерировать заданный сигнал в дополнение к сигналу передатчика. Этот «источник помех» проверяет и дает возможность убедиться, что у вашего приемника имеется достаточная селективность для приема полезного сигнала.

Перед запуском предварительных измерений на соответствие стандартам следует провести быстрые и несложные измерения с помощью пикового детектора (Peak Detector). Затем используйте квазипиковый детектор (QP) для выборочной проверки любых выявленных потенциальных проблемных частот. Для проверки понадобятся датчики ближнего поля электрического (E-field) и магнитного типов (H-field), как это показано на рис. 5. Датчик магнитного поля имеет петлю, в которой наводятся токи при перпендикулярной ориентации относительно линий магнитного поля от источника сигнала, позволяя измерять величину напряжения.

Рис. 5. Чем больше размер зондов электрического (E) и магнитного (H) полей, тем выше их чувствительность, но, соответственно, ниже точность обнаружения. Корректно локализовать источник электромагнитных помех позволяют зонды меньшего размера

При использовании пробников ближнего поля важно помнить, что выходное напряжение очень сильно зависит от его ориентации относительно излучателя. Кроме того, необходимо найти компромисс: чем больше размеры пробника, тем чувствительность выше, однако точность обнаружения источника помехи будет ниже. Поэтому, когда источник электромагнитных помех более четко определен, возьмите пробник меньшего размера, насколько возможно приблизьтесь к источнику помехи и убедитесь, что показания ниже максимально допустимых уровней мощности излучения ЭМП.

Однако такие измерения требуют глубокого понимания и опыта у разработчика в области ЭМС. Многие источники помех можно локализовать, зная тактовые частоты, частоты коммутации импульсного источника питания и ожидаемых гармоник.

Также не менее важно знание схемы и разводки платы, последнее помогает определить, например, что линия синхронизации оказалась разведенной слишком близко к радиочастотному модулю. Здесь нет мелочей, на все необходимо обращать внимание, так как найденная помеха может быть тем негативным явлением, которое, воздействуя на каскады, вызывает другую помеху, способную проявиться уже в другой части спектра.

Тем не менее, независимо от того, насколько хорошо разработчик знает физическое расположение и параметры схемы, ничто не сравнится с проверкой посредством специального программного обеспечения и временной корреляцией излучений ЭМП в процессе отладки.

Испытание с временной корреляцией и отладка с использованием осциллографов

Учитывая бюджетные и ресурсные ограничения многих разработчиков IoT-устройств, даже такой не слишком дешевый прибор, как анализатор спектра, может быть не всегда доступен. Однако в каждой лаборатории имеется осциллограф, а хороший цифровой осциллограф уже позволит провести тестирование на электромагнитные помехи. Раньше такого функционала в осциллографах просто не было, поскольку в прежних приборах аппаратные возможности выполнения быстрых преобразований Фурье (БПФ) были недоступны. Сейчас ситуация изменилась — так, в некоторых моделях цифровых осциллографов среднего класса уже аппаратно реализован функционал БПФ с цифровым переносом частоты и наложением блоков БПФ.

Для подобных задач выбирайте цифровой осциллограф с такими ключевыми характеристиками, как достаточная глубина памяти (не менее 500 тыс. точек), входной импеданс 50 Ом для обеспечения достаточной полосы пропускания и частота дискретизации, превышающая как минимум в два раза максимальную частоту в сигнале, начиная со значения 2,5 Гточек/c для сигналов в полосе частот 0–1 ГГц. Если тестируются системы с рабочими частотами 2,45 или 5 ГГц, то частота дискретизации должна быть увеличена соответственно. Также обратите внимание на низкий уровень собственных шумов и хорошую вертикальную чувствительность, доступные во всей полосе пропускания при коэффициентах вертикального отклонения 500 мкВ/дел. – 5 мВ/дел. для достижения высокой чувствительности.

Поскольку пробник будет перемещаться по плате или системе, важно, чтобы время отклика осциллографа было быстрым. Это крайне необходимо для того, чтобы не возникала задержка при попытке соотнести сигнал ЭМП с его представлением во временной области. Некоторые осциллографы выполняют функцию БПФ только программно, поэтому будьте внимательны и убедитесь, что временная и частотная области видны в реальном времени. По мере того как источник ЭМП локализован, представление во временной области должно позволить соотнести влияние на этот источник ЭМП таких изменений, как переключение уровня шины (рис. 6).

Рис. 6. Многофункциональные цифровые осциллографы с возможностью реализации быстрого преобразования Фурье и функцией выделения областей анализа помогают отлаживать РЭА, позволяя проводить корреляцию во времени событий возникновения ЭМП и находить их источник

Существуют и другие важные функции, которые желательно иметь в осциллографе, включая режим послесвечения экрана и цветовую градацию отображения сигнала. Это позволит легко обнаруживать и различать постоянно присутствующие и периодически возникающие компоненты в сигнале и проводить необходимое масштабирование (рис. 7).

Рис. 7. 10,1-дюймовый емкостный сенсорный экран осциллографа R&S RTO2000 компании Rohde & Schwarz позволяет пользователям быстро перемещаться по всплывающим меню и регулировать масштабирование путем увеличения или перемещения сигнала. Внизу показан анализатор спектра серии R&S FPC с пробниками ближнего поля

Заключение

В эпоху IoT с повсеместным беспроводным подключением удовлетворение требований стандартов по ЭМС становится все более трудоемким делом. Проблема усугубляется ужесточением стандартов и снижением стоимости IoT-устройств, что стимулирует разработчиков избежать дополнительных затрат на сертификацию и переделку и с самого начала сделать все должным образом [1, 3]. В этом случае проведение строгих предсертификационных испытаний на заданных контрольных этапах разработки с помощью стандартного настольного оборудования, такого как цифровые осциллографы, может помочь ограничить формальные и дорогостоящие сертификационные испытания ЭМС одной успешной попыткой.