Hoe ontwerp je een apparaat met elektromagnetische compatibiliteit en minimale straling?

Bij het ontwerpen van elektronische apparaten is het essentieel om te begrijpen hoe elektromagnetische interferentie (EMI) en compatibiliteit (EMC) de prestaties van het apparaat kunnen beïnvloeden. In dit verband is het cruciaal dat apparaten niet alleen bestand zijn tegen externe interferentie, maar ook dat ze zelf geen verstoringen veroorzaken die andere apparaten kunnen beïnvloeden. Dit vereist een grondige kennis van de ontwerpprincipes die nodig zijn om zowel de interne werking van het apparaat te garanderen als de naleving van de wetgeving op het gebied van elektromagnetische emissies.

Het verlagen van elektromagnetische emissies is een fundamenteel aspect van het ontwerp. Zelfs als een apparaat geen opzettelijke straling uitzendt, moeten ontwerpers zich houden aan de limieten voor onbedoelde straling. Grote detailhandelaars kunnen bijvoorbeeld eisen dat een product door een derde partij wordt gecertificeerd voordat het in de verkoop wordt gebracht. De specifieke eisen voor elk land kunnen variëren, dus het is raadzaam om altijd een compliance-laboratorium te raadplegen voor gedetailleerde informatie over de regelgeving die van toepassing is op het beoogde marktgebied.

Een cruciaal element in het ontwerp van een apparaat dat voldoet aan EMC-vereisten, is het voorkomen van de onbedoelde radiatie van signalen via lange sporen of lussen op de printplaat. De radiatie van een stroomvoerende lus is recht evenredig met de stroom, het kwadraat van de straal van de lus en de frequentie van de signalen. Het is daarom belangrijk om de trace afmetingen te minimaliseren en lange, kronkelige tracering te vermijden die de kans op onbedoelde radiatie vergroot. Een eenvoudige maar effectieve strategie is het zorgen voor een directe terugstroomroute voor de stroom onder of dichtbij de uitgangstrace.

Zorg ervoor dat er geen sleuven in de printplaat zijn, aangezien deze ervoor zorgen dat de stroom langs grotere lussen beweegt, wat onbedoelde straling kan veroorzaken. Ook moet men voorzichtig zijn met de plaatsing van via's in de koperen vlakken, omdat een rij dicht op elkaar geplaatste via's onbewust een grotere sleuf kan creëren in het grondvlak. Dit kan worden voorkomen door via's iets te verspringen, zodat er voldoende ruimte is voor een continu grondvlak. Verder moet men geen signalen door het grondvlak leggen, omdat dit leidt tot ongewenste koppeling en interferentie, wat de EMC-compatibiliteit kan aantasten.

Het ontwerp van de grondvlakken is van groot belang. Het gebruik van een volledige grondvlak onder hoge snelheidssignalen of RF-sporen is essentieel voor het minimaliseren van onbedoelde straling. Een veelgemaakte fout is het splitsen van grondvlakken in pogingen om isolatie te verbeteren, vooral in gevoelige circuits zoals ADC's. Dit kan echter de EMC-compatibiliteit juist verslechteren. Het wordt vaak aanbevolen om subcircuits fysiek van elkaar te scheiden om interferentie te voorkomen, in plaats van grondvlakken te splitsen.

Daarnaast moeten ontwerpers zich bewust zijn van de invloed van inductantie op hun ontwerp. Bij hoge frequenties is inductantie de dominante factor die de impedantie van een trace bepaalt. Dit heeft belangrijke implicaties voor de manier waarop stroom terugvloeit naar de bron. Het is essentieel om te zorgen voor een pad van lage inductantie voor bypass-condensatoren, zodat ze effectief kunnen functioneren. Dit kan worden bereikt door condensatoren dicht bij de IC te plaatsen, met de kleinere condensatoren het dichtst bij het IC.

Bij ontwerpen met snelle signalen of hoge frequenties, zoals een kloksignaal, moet men er altijd voor zorgen dat de signalen niet onder andere belangrijke componenten of sporen lopen die voor de ingang of uitgang van de printplaat bedoeld zijn. Dit voorkomt capacitatieve of inductieve koppeling, wat kan leiden tot EMC-problemen vanwege de lange terugstroompaden. Het stapelen van de lagen van de printplaat speelt hierbij een cruciale rol. Het hebben van een goed ontworpen stapel met voldoende grondvlakken kan helpen om ongewenste elektromagnetische velden te isoleren en straling te beperken.

Tot slot is het toevoegen van zogenaamde 'shielding vias' of 'via fences' een veelgebruikte techniek om storingen te verminderen. Deze via's creëren een laag-impedantie pad naar de grond voor terugstroomstromen, wat vooral belangrijk is in gebieden met hoge frequenties of RF-traces. Dit zorgt ervoor dat alle componenten binnen hetzelfde potentiaal blijven en voorkomt dat grondvlakken op verschillende lagen een significante gemeenschappelijke mode spanning opbouwen.

Een ander punt dat vaak wordt over het hoofd gezien, is de invloed van de snelle randveranderingen in signalen. Zelfs een kloksignaal met een relatief lage frequentie kan bij scherpe randen hoge frequentiecomponenten bevatten, die interferentie kunnen veroorzaken. Daarom moeten ontwerpers er altijd voor zorgen dat signalen met snelle randen of hoge frequentie-inhoud zorgvuldig worden beheerd en niet te dicht bij andere gevoelige delen van het ontwerp worden geleid.

Wanneer je een ontwerp moet loslaten: tips voor het ontwerpen van hardwareprototypes

In de wereld van hardwareprototyping is snelheid essentieel, vooral wanneer je probeert om de eerste werkende versie van je product te realiseren. Het is gemakkelijk om verliefd te worden op een ontwerp, maar dit kan je afleiden van het uiteindelijke doel: een product creëren dat daadwerkelijk goed werkt en voldoet aan de behoeften van je gebruikers. Het is belangrijk te beseffen dat het niet de bedoeling is om je ontwerp als een 'kind' te beschouwen dat je koste wat kost wilt beschermen. Het gaat om het vinden van de juiste oplossing, niet het egocentrisch vasthouden aan een specifieke aanpak.

Wanneer je werkt aan een prototype, is het vaak efficiënter en goedkoper om de assemblage uit te besteden. Het zelf assembleren van je bord is alleen voordelig als het minder dan een dag werk is. Het is meestal goedkoper om een extern assemblagebedrijf in te schakelen, zodat je je kunt concentreren op andere aspecten van je project. Dit bespaart niet alleen tijd, maar stelt je in staat om meerdere versies van je ontwerp snel te evalueren.

In de vroege stadia van ontwikkeling is het belangrijk om je te concentreren op het minimale levensvatbare ontwerp. Het is beter om tien verschillende ontwerpen te hebben met elk één functie, dan één ontwerp met tien verschillende functies. Dit betekent niet dat je hardware niet aanpasbaar moet zijn, maar je moet vermijden dat je jezelf verliest in het ontwerpen en debuggen van secundaire functies die afleiden van het belangrijkste probleem dat je apparaat probeert op te lossen.

Het 'divide and conquer' principe is een andere waardevolle strategie. Door grote problemen op te splitsen in kleinere deelproblemen en systemen op te delen in subsystemen, kun je gefocust blijven en stap voor stap vooruitgang boeken. Het is ook nuttig om een lijst bij te houden van chips die je prettig vindt werken. Dit is vooral handig voor chips die communiceren met firmware, omdat je zo de hardware abstractielaag kunt hergebruiken, wat veel tijd en moeite bespaart.

Gebruik een sterk geïntegreerde chip voor complexe maar veelvoorkomende taken. Neem bijvoorbeeld een Ethernet-controller. Het is mogelijk om deze te implementeren met een FPGA en een externe PHY, maar het gebruik van een dedicated IC die alles voor je doet en eenvoudig in je ontwerp kan worden geïntegreerd, is vaak de betere keuze. Aan de andere kant, voor eenvoudige taken, zoals het meten van de stroom, moet je geen complexe chips gebruiken die allerlei andere metingen uitvoeren via SPI of I2C. Deze chips vergen veel tijd om te integreren, creëren onnodige afhankelijkheden en kunnen je BOM (Bill of Materials) onterecht verhogen.

Documentatie is essentieel, vooral als je snel werkt. Schrijf duidelijk en beknopt. Onthoud dat je niet meer woorden moet gebruiken dan nodig. Dit geldt niet alleen voor de documentatie, maar ook voor het ontwerp zelf. Elke functie moet zorgvuldig worden overwogen: is deze echt nodig? Simpelweg 'minder is meer' geldt hier. Maar let op: voor het eerste prototype mag je niet altijd proberen de componenten tot het absolute minimum te reduceren. Het is vaak beter om extra bescherming, zoals een TVS-diode, toe te voegen in het eerste prototype, en later te beslissen of het noodzakelijk is.

Wees niet bang om te beginnen, zelfs als je niet alle informatie hebt. Perfecte informatie bestaat niet en zal altijd onvolledig zijn. Vertrouw op je ervaring en wees bereid om door te gaan met je ontwerp of prototyping, zelfs als niet alles in steen gebeiteld is. Wanneer je snel werkt, moet je niet vergeten dat de keuzes die je nu maakt, vooral in de prototypefase, vaak gaan om snelheid en niet om maximale betrouwbaarheid of kostenbesparing. Deze keuzes moeten niet worden doorgetrokken naar de productiefase.

Naast het snel ontwerpen en testen van prototypes is het belangrijk om de balans te vinden in je ontwikkelproces. Snel werken is belangrijk, maar het moet een duurzame werkdruk zijn. Lange werkdagen zijn geen oplossing op de lange termijn, omdat ze leiden tot burn-out, hoge personeelsverloop en verlies van de werk-privébalans. Het is ook cruciaal om technische schulden te vermijden, die je later in het proces alleen maar vertragen.

Hardwareprototyping is in de afgelopen jaren eenvoudiger geworden dankzij de groei van de hardware-hackercommunity. Er zijn nu talloze platforms, ontwikkelsets en gemeenschappen die het proces aanzienlijk versnellen. Modules, evaluatieboards en breakout-borden zijn uitstekende hulpmiddelen om snel vertrouwd te raken met een chip of subsystemen. Ze bevatten vaak de benodigde chips en bijbehorende schakelingen, waardoor je geen zorgen hoeft te maken over foutieve soldeerverbindingen of verkeerde pinout. Dit is vooral handig wanneer je werkt aan een custom PCB, omdat je een werkend ontwerp kunt gebruiken als uitgangspunt.

Wees echter voorzichtig met de stroomvoorziening van de modules en zorg ervoor dat je de juiste logische niveaus gebruikt wanneer je verschillende modules verbindt. Veel ontwerpers werken met zowel 3,3 V als 5 V onderdelen, en hiervoor zijn er modules beschikbaar die bidirectionele niveauconversie mogelijk maken. Het is handig om enkele van deze modules in je gereedschapskist te hebben voor snel testen.

Voor de prototypingfase zijn breadboards handig, maar niet voor alles. Ze hebben vaak een hoge parasitaire capacitantie en inductantie, wat ze ongeschikt maakt voor hoogfrequente toepassingen. Het is belangrijk om te controleren of je breadboard geen breuken heeft in de stroomrails, wat vaak voorkomt wanneer het board meerdere spanningen moet ondersteunen. Een eenvoudige controle met een multimeter kan veel tijd besparen bij het debuggen.

Een andere handige tool voor prototyping zijn de Wago-klemmen, die snel en zonder solderen verbindingen tussen verschillende componenten mogelijk maken. Deze kunnen je helpen om snel wijzigingen aan te brengen in je ontwerp zonder gedoe met draden en solderen.

Hoe je een efficiënte en veilige werkruimte voor elektronica-assemblage inricht

In een elektronica-laboratorium zijn de juiste tools en veiligheidsmaatregelen van cruciaal belang om zowel de effectiviteit als de veiligheid te waarborgen. Het werken met loodhoudende soldeerverbindingen kan schadelijk zijn als men niet voorzorgsmaatregelen neemt. Soldeerbouten kunnen temperaturen bereiken die boven de 1800°F (982°C) liggen, waarbij sommige modellen zelfs de 932°F (500°C) kunnen aantikken. Bij dergelijke hoge temperaturen is het mogelijk dat er looddamp vrijkomt. Dit is niet altijd direct schadelijk, maar als men zich zorgen maakt over de mogelijke blootstelling aan lood, is het verstandig om de temperatuur van de soldeerbout onder de 900°F (482°C) te houden bij het werken met loodhoudend soldeer.

Wat betreft de opstelling van je werkruimte, is de verlichting het belangrijkste element in je laboratorium. Voor microscopen zijn ringverlichting en heldere bovenverlichting essentieel. Bij het werken met componenten die slechts honderdsten van een inch groot zijn, mogen er geen schaduwen zijn die het werk verstoren. Daarnaast is het belangrijk dat het licht zo wit mogelijk is, zodat je kleurveranderingen op de onderdelen gemakkelijk kunt zien. Het werkblad zelf moet een aantal eigenschappen bezitten: het moet bestand zijn tegen statische elektriciteit (ESD) en hitte. ESD-matten van materialen die hitte kunnen weerstaan, zijn ideaal. Deze matten zijn meestal uitgerust met een aansluiting voor een polsband die je met de aarde kunt verbinden. Zorg ervoor dat je deze band daadwerkelijk aarden, zodat je de werking ervan kunt garanderen. ESD-vloermatten of zelfs antistatisch tapijt kunnen ook nuttig zijn om statische ladingen te beheersen.

De keuze van soldeergereedschap is ook van groot belang. Het wordt vaak als moeilijk beschouwd, maar dat is meestal het geval wanneer men gebruik maakt van gereedschap van lage kwaliteit. Het gebruik van een degelijke soldeerbout, een microscoop en een goed paar pincetten maakt het mogelijk om na enkele uren oefenen, zelfs kleine componenten te solderen. Bij de aanschaf van een soldeerbout is het belangrijk te investeren in kwaliteit, aangezien het gereedschap voortdurend wordt gebruikt. Merken zoals Metcal en JBC zijn favoriet onder professionals vanwege hun uitstekende temperatuurregeling en inductieverwarming. Deze bouthouders kunnen temperaturen binnen enkele seconden bereiken zonder dat je hoeft te wachten. Goedkope soldeerbouten die direct in het stopcontact worden gestoken, zoals de zogenaamde "Radio Shack Special", bieden vaak onvoldoende controle over de temperatuur en zijn minder effectief.

Microscopen spelen een sleutelrol in de elektronica-assemblage. Voor het inspecteren van soldeerverbindingen is een inspectiemicroscoop vereist. Dit type microscoop heeft een langere brandpuntsafstand dan een normale microscoop, wat essentieel is voor het werken met kleine componenten. Bij een geschikte microscoop is een vergroting van ongeveer 10x voldoende, en het is belangrijk dat de microscoop een binoculaire opstelling heeft voor dieptezicht. Het goedkoopste model begint rond de 200 dollar en heeft meestal een ingebouwde verlichting en een geschikt vergrotingsbereik.

Naast de juiste gereedschappen en de juiste verlichting, moeten de juiste voorzorgsmaatregelen getroffen worden voor de veiligheid van het lab. De opslag van gevaarlijke stoffen zoals oplosmiddelen en oplosbare fluxen dient altijd op een veilige manier te gebeuren. Brandveiligheidskasten zijn hierbij essentieel, evenals het juiste labelen en bewaren van chemische stoffen.