WURTH ELECTRONICS MIDCOM. Blindagem Introdução aos Conceitos e Aplicações Ciro.Fuzihara@we-online.com Wurth Electronics Midcom 1

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1 2012 WURTH ELECTRONICS MIDCOM Blindagem Introdução aos Conceitos e Aplicações Ciro.Fuzihara@we-online.com 2012 Wurth Electronics Midcom 1

2 Definições Básicas EMI = Interferência Eletromagnética É a perturbação gerada por indução ou radiação eletromagnética EMC = Compatibilidade Eletromagnética É a capacidade de um dispositivo de operar na presença de perturbações 2012 Wurth Electronics Midcom 2

3 EMC Tipo de emissões Compatibilidade Eletromagnética Emissão Imunidade Emissão Conduzida Emissão Irradiada Suscept. Conduzida Suscept. Irradiada 2012 Wurth Electronics Midcom 3

4 INTERFERÊNCIAS 2012 Wurth Electronics Midcom 4

5 Características das Interferências Simétricas Assimétricas Campo Ruído conduzido Ruído acoplado Ruído irradiado Soluções Indutores bastão e toroidais Filtros de modo Comum Ferrites para EMI, Blindagem 0,01 0, f (MHz) 2012 Wurth Electronics Midcom 5

6 Tipos de sinal ou ruído Emissões Irradiadas Blindagens podem ser usadas? Emissões Conduzidas 2012 Wurth Electronics Midcom 7

7 Modos de Ruídos Irradiados Efeito da Transmissão no Ruído Irradiado RF RF Fonte Blindagem 2012 Wurth Electronics Midcom 8

8 Modos de Ruído Irradiado Efeito da Reflexão no Ruído Irradiado RF Fonte Blindagem 2012 Wurth Electronics Midcom 9

9 Onda eletromagnética É tridimensional 1 ciclo = Período, medido em segundos ou comprimento de ondas medido em metros Frequência = 1 /Período 1 / 20µs = 50 khz 2012 Wurth Electronics Midcom 11

10 Uma onda eletromagnética Componentes de uma onda eletromagnética Componente campo E Componente campo H 90 degrees 2012 Wurth Electronics Midcom 12

11 TIPOS DE GABINETES 2012 Wurth Electronics Midcom 13

12 Gabinetes Os produtos podem ser construídos por duas classes de material do ponto de vista RF: 1. Metálico Alumínio, aço, latão, cobre. Material Blindagem Natural 2. Não Metálico Plástico, Nylon, Poliestireno, PVC, ABS, PP. Materiais transparentes a RF 2012 Wurth Electronics Midcom 14

13 Tipos comuns de blindagens de RF Dois tipos principais: Metálico (Cu, Al, Aço ) e Ferrite (NiZn, MnZn ou compostos similares) Blindagem metálica WE-SHC Folha absorvedora WE-FAS Gaxeta condutiva WE-LTS WE-CPU Placa de ferrite Espuma condutiva WE-LS Gaxeta condutiva WE-LT Fitas condutivas WE-CF/TS 2012 Wurth Electronics Midcom 15

14 O problema básico a ser solucionado RF irradiada RF irradiada 2012 Wurth Electronics Midcom 16

15 Aplicações (Blindagens) Metálica Ferrite 2012 Wurth Electronics Midcom 17

16 Aplicação (Componentes de blindagem) Absorver ou refletir RF irradiada Blindagem 2012 Wurth Electronics Midcom 18

17 Aplicação ( gabinetes blindados ) Conter RF irradiada Folha de ferrite 2012 Wurth Electronics Midcom 19

18 Características dos ferrites : Ferrites armazenam e dissipam energia Store Dissipate 2012 Wurth Electronics Midcom 20

19 Atenuação Comportamento do material com Sinais Irradiados Metal vs Ferrite quando sinais são transmitidos Frequência Ferrite Metal 2012 Wurth Electronics Midcom 21

20 Atenuação Comportamento do material com Sinais Irradiados Metal vs Ferrite quando sinais são refletidos Frequência Metal Ferrite 2012 Wurth Electronics Midcom 22

21 Reflexão Vs Atenuação Condutividade Permeabilidade Espessura 2012 Wurth Electronics Midcom 23

22 Vantagens Metal vs Ferrite Blindagem Ferrite Metal O metal tem de ser aterrado! O ferrite não precisa. Ferrite é caro. Metal é mais barato e fácil de moldar Wurth Electronics Midcom 24

23 Isso inviabiliza o perfeito funcionamento de uma blindagem! Wurth Electronics Midcom 25

24 Efeitos da blindagem nos Componentes da onda eletromagnética Ferrite Ferrite trabalha melhor em curtas distâncias e afeta mais significativamente o campo magnético Metal Metal trabalha em qualquer distância e afeta mais significativamente o campo elétrico 2012 Wurth Electronics Midcom 26

25 SOLUÇÕES: GABINETES METÁLICOS 2012 Wurth Electronics Midcom 27

26 Aplicações ( cenários) Gabinetes metálicos 2012 Wurth Electronics Midcom 28

27 Problemas com gabinetes metálicos Vazios permitem que ruídos de RF passem. Rasgos funcionam como antenas Antena WLAN 2,4GHz m s 2,4 10 s 9 0,125m / 4 3,125cm 2012 Wurth Electronics Midcom 29

28 Ventilação pode ser um ponto fraco 2012 Wurth Electronics Midcom 30

29 Gabinete metálico corretamente aterrado Gaxetas e fitas condutivas fechando os vãos. A melhor performance da gaxeta é quando o material é comprimido 50% e produz maior condutividade Wurth Electronics Midcom 31

30 Aplicações (Gaxetas) Gaxetas preenchem o vão entre paredes de gabinetes metálicos Wurth Electronics Midcom 32

31 Aplicações (Gaxetas) Blindagem de bordas WE-LT WE-GS 2012 Wurth Electronics Midcom 33

32 Bom aterramento Cintas de aterramento Cintas plásticas para aterramento Presilhas de nylon para aterramento Trançado de Nylon condutivo 2012 Wurth Electronics Midcom 34

33 WE-SHC Blindagem Banho de estanho de acordo com DIN EN 10202/10203 SMD/THT Efetividade da blindagem a 3GHz Aplicação Entrada de RF e estágios de amplificação Estágios de saída de RF Partes sensíveis a EMC em gabinetes plásticos 2012 Wurth Electronics Midcom 35

34 Material correto Alta Frequência Baixa Frequência (<1KHz) Aplicações Micro-controladores Conversores A-D Amplificadores de Micro-ondas Fontes chaveadas Lógica CMOS e outros dispositivos de chaveamento rápido Transformadores convencionais Bobinas Eletromagnéticas disjuntores Reles Componentes no espectro de áudio Materiais Preferidos Materiais não-ferrosos como: Latão Cobre Berílio Bronze fosforoso Materiais Ferrosos como: Aço Mu-metal Radio-Metal Molebidênio 2012 Wurth Electronics Midcom 36

35 Blindagem para RF 2012 Wurth Electronics Midcom 37

36 Blindagem de RF 2012 Wurth Electronics Midcom 38

37 APLICAÇÕES: FOLHA DE FERRITE 2012 Wurth Electronics Midcom 39

38 Aplicações ( Melhorar RFID 13.56MHz) 2012 Wurth Electronics Midcom 40

39 Aplicações ( Melhorar RFID 13.56MHz) 2012 Wurth Electronics Midcom 41

40 CONCLUSÕES 2012 Wurth Electronics Midcom 42

41 Projeto para EMC 43 Ponto de vista econômico: Depende de quando você começa a projetar para atender os requisitos de EMC. Custo Pre-projeto Protótipo Produção Tempo 2012 Wurth Electronics Midcom 43

42 Soluções milagrosas? Sourse: Kontakt Chemie 2012 Wurth Electronics Midcom 44

43 2012 WURTH ELECTRONICS MIDCOM COMPONENTES PARA RF - SELEÇÃO & APLICAÇÕES Wurth Electronics Midcom 45

44 GUIA DE SELEÇÃO EM UM CLIQUE RF 2012 Wurth Electronics Midcom 46

45 Nossos componentes para RF? WE-LPF Filtro passa baixa WE-BPF Filtro passa banda WE-MCA Antena de RF ANT Switch LPF Diplexer GSM_Rx GSM_Tx DCS_Rx (Receiver Module) BPF LNA Balun Mixer VCO/PLL LPF (Synthesizer Module) Coupler PA Balun WE-BAL Balun Switch LPF DCS_Tx Mixer (PA Module) WE-MK,RFx,TCI,MI Indutores de RF 2012 Wurth Electronics Midcom 47

46 INDUTORES DE RF 2012 Wurth Electronics Midcom 48

47 Overview WE-MK WE-RFH WE-RFI WE-TCI WE-MI 2012 Wurth Electronics Midcom 49

48 Indutor WE-MK Diferença para o WE-MI? 1nH 0,1Ω R DC 2,8Ω 0,45GHz L SRF 220nH >17GHz Q mA I DC 600mA Estrutura monolítica baseada em cerâmica Alta SRF (frequência de auto ressonância) Tolerância 5 % (resp. 0.3 nh) Baixo custo Marcação de polaridade Camada de Plating (Ni/Sn) xxx 0201 (1 33 nh) xxx 0402 (1 120 nh) xxx 0603 (1 220 nh) Terminal eletrodo (Ag) Parâmetros S disponíveis RFSIM99 freeware simulação design Kits: tamanho 0402: tamanho 0603: Condutor Interno (Ag) cerâmica baixo dielétrico 2012 Wurth Electronics Midcom 50

49 Indutor WE-TCI 1nH 0,1Ω R DC 5Ω 1GHz L SRF 68nH 12GHz Q mA I DC 800mA Indutor de filme espesso fotolitografico cauterizado Manufatura muito precisa Tolerância estreita 2% (1%) or 0.1 nh SRF dentro de 10% Valor de indutância estável em circuitos de RF Comportamento de temperatura estável como WE- MK Tamanhos: 0402, 0603 design Kit: (tamanho 0402, 0603) Parâmetros S 2012 Wurth Electronics Midcom 51

50 Indutor WE-KI 1nH 0,03Ω R DC 5,6Ω 0,2GHz Corpo cerâmico e fio L SRF 1500nH 12,5GHz Q mA I DC 1360mA Indutor de fio com alta SRF Valores altos de Q para altas frequências Veja gráfico Q no catálogo Filtro discreto; e.g. Notch filter Typ A Typ C Tamanhos: 0402, 0603, 0805, 1008 Tolerância: padrão 5% ( 2% disponível) Temperatura de operação: -40 C 125 C 2012 Wurth Electronics Midcom 52

51 Indutor WE-RFH 470nH 10000nH 1,18Ω R DC 2,8Ω 0,04GHz L SRF 0,45GHz Q mA I DC 760mA Corpo cerâmico e ferrite Pequeno e altos valores de indutâncias Mesmo PAD do WE-KI 1008 Aplicável como filtros para SMPS com altas frequências de chaveamento O ferrite NÃO tem um comportamento estável de indutância ao longo da temperatura Tamanho: 1008 Tolerância: standard 5% Temperatura de operação: -40 C 85 C 2012 Wurth Electronics Midcom 53

52 Indutor WE-RFI 1200nH Corpo de ferrite 1,3Ω R DC 12Ω 0,017GHz L SRF 47000nH 0,28GHz Q mA I DC 230mA EXTENSÃO DO WE-KI 1008 Altos valores de indutância no tamanho 1008 Fim da série KI (1µH) = início da série RFI (1,2µH) Tamanho: 0805, 1008 Tolerância: standard 5% Temperatura de operação: -40 C 85 C 2012 Wurth Electronics Midcom 54

53 lower DCR higher cuurent Indutores comparação (1,2µH / tamanho 1008) 1 WE-RFH A L=1,2µH@7,96MHz Q=20@7,96MHz SRF=280MHz DCR=0,5Ω I DC =760mA T=15K 2 WE-RFI A L=1,2µH@7,96MHz Q=20@7,96MHz SRF=200MHz DCR=1,3Ω I DC =230mA T=15K 3 WE-KI L=1,2µH@7,96MHz Q=20@7,96MHz SRF=280MHz DCR=1,3Ω I DC =230mA T=15K Diferentes Vantagens: WE-RFx feitos de ferrite Outro comportamento de saturação Maior corrente nominal devido ao número menor de espiras comparado com WE-KI Indutor de potência para SMPS com altas frequências de chaveamento WE-KI não tem perdas no núcleo cerâmica = ar 2012 Wurth Electronics Midcom 55

54 lower DCR lower DCR higher cuurent Indutores comparação (68nH / tamanho 0603) 1 WE-TCI L=68nH@300MHz Q=15@300MHz SRF=1000MHz DCR=5Ω I DC =150mA T=30K 2 WE-MK L=68nH@100MHz (~70nH@300MHz) Q=12@100MHz (~25@300MHz) SRF=1000MHz DCR=1,2Ω I DC =600mA T=20K 3 WE-KI GA L=68nH@200MHz (68nH@300MHz) Q=40@250MHz SRF=1000MHz DCR=0,34Ω I DC =600mA T=15K Diferentes Vantagens : WE-TCI tem tolerãncias baixas em: indutância frequência de auto ressonância SFR WE-MK tem baixo custo WE-KI tem altos valores de Q Baixo DCR correntes nominais maiores 2012 Wurth Electronics Midcom 56

55 lower DCR higher cuurent Indutores comparação (1nH / tamanho 0402) 1 WE-TCI L=1nH@500MHz Q=20@500MHz SRF=12GHz DCR=100mΩ I DC =700mA T=30K 2 WE-MK L=1nH@100MHz (~1nH@500MHz) Q=8@100MHz (~22@500MHz) SRF=17GHz DCR=120mΩ I DC =300mA T=20K 3 WE-KI A L=1nH@250MHz (1nH@500MHz) Q=13@250MHz (~28@500MHz) SRF=6GHz DCR=45mΩ I DC =1360mA T=15K 2012 Wurth Electronics Midcom 57

56 Indutores comparação Preste atenção: Valor de L na frequência de operação do cliente L=1nH@500MHz Compare o valor de Q na mesma frequência de teste olhe também olhe a frequência de operação Q=20@500MHz Compare a corrente nominal no mesmo delta de temperatura (Como indutores de potência) Em circuitos de RF as vezes a corrente nominal não é significante I DC =700mA T=30K Compare DCR DCR=100mΩ Preste atenção na SFR SRF=12GHz 2012 Wurth Electronics Midcom 58

57 Indutores aplicações Celulares Rádios Aplicações de GPS Rede sem fio Aplicação para telecom Bluetooth RF geral Wurth Electronics Midcom 59

58 Aplicações Acoplamento AC Alimentação DC Filtros de harmônicas Casamento de impedância indutores 2012 Wurth Electronics Midcom 60

59 Componentes - LTCC 2012 Wurth Electronics Midcom 61

60 PORQUE LTCC? Low Temperature Co-fired Ceramics, neste processo resistores, indutores e capacitores são produzidos em um forno ao mesmo tempo em uma temperatura de 850 C. Vantagens: Tamanho Componentes leves integração Perdas menores (até 60 GHz) Tolerância mecânica Solução barata Características elétricas repetitíveis Alta confiabilidade Estabilidade térmica 2012 Wurth Electronics Midcom 62

61 Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) 850 C One fire 2012 Wurth Electronics Midcom 63

62 CRITÉRIO DE SELEÇÃO 2012 Wurth Electronics Midcom 64

63 Critério de seleção WE-LPF ( Filtro Passa Baixa ) Propriedades: Estrutura monolítica, ( Substituto para 1 indutor e 3 capacitores ou 3 indutores e 5 capacitores) Dimensão reduzida e leve Solução barata em comparação com filtros LC discretos Pequenas perdas na faixa de operação Alta atenuação fora da faixa de operação Comportamento estável em temperatura Aplicações: 0.8-6GHz comunicação sem fio (e.g. DECT / PACS / PHS / DCS / PCS, módulos WLAN) 2012 Wurth Electronics Midcom 65

64 Critério de seleção WE-LPF Frequência de Corte Perdas por inserção Atenuação de harmônicos Tamanho WE-LPF f 0 f 0 Spektrum Spektrum Wurth Electronics Midcom 66

65 Critério de Seleção WE-BPF ( Filtro Passa Faixa ) Propriedades: Perdas pequenas na faixa de operação Alta atenuação fora da faixa de operação Pequeno tamanho, leve (menor que o filtro SAW) Solução barata Comportamento estável em temperatura (-40 C 85 C) Aplicações: RF-range: GHz comunicação sem fio (e.g. DECT / PACS / PHS / GSM /DCS, WLAN, Bluetooth, Hyper- LAN) WE-BPF 2012 Wurth Electronics Midcom 67

66 db(s_11) db(s_21) Critério de Seleção WE-BPF ( Filtro Passa Faixa ) Faixa de frequência Perda de inserção Alta atenuação fora da faixa de corte Alta supressão de harmônicos Tamanho Spektrum 0 0 Filtro passa faixa para BLUETOOTH DECT / GSM ISM Spektrum freq, GHz 2012 Wurth Electronics Midcom 68

67 Critério de Seleção WE-BAL Transformador de Impedância Balanceado-Não balanceado Propriedades: Tamanho reduzido Pequena perda de inserção (<1.0dB) Pequenas diferenças amplitude e fase (In-/Output) Balun tipo Marchand: DC permitido Baluns tipo LC Conversor de Impedância 2012 Wurth Electronics Midcom 69

68 Critério de Seleção WE-BAL Transformador de impedância Balanceado-paradesbalanceado Frequência de operação Impedância balanceada Perdas de inserção Tamanho 2012 Wurth Electronics Midcom 70

69 Critério de Seleção WE-MCA Características: Estrutura monolítica Tamanho reduzido, SMT, leve Faixa larga Alto ganho - até 3dBi Quase omnidirecional Impedância 50 ohms aplicação: WLAN, BLUETOOTH HiperLAN ISM868, ISM2400, GPS, Dual-Band Chip Antenna Para WLAN a/b/g (2.4/ 5.2 GHz) 2012 Wurth Electronics Midcom 71

70 Critério de Seleção WE-MCA Multilayer, Estrutura sinuosa Algumas vias perto do plano terra no ponto de alimentação Sem plano terra abaixo da antena Mesma performance de ½ λ dipolo mechanical attachment Performance depende do tamanho do plano terra RF feed 2012 Wurth Electronics Midcom 72

71 Critério de Seleção WE-MCA Multilayer-Chip-Antenna 2012 Wurth Electronics Midcom 73

72 Características de radiação 2012 Wurth Electronics Midcom 74

73 Regras de projeto para Antena Distância A A B Linha de entrada 1mm >2W (W: largura da antena) W=5mm B A B Terra PCB livre A 2012 Wurth Electronics Midcom 75

74 VSWR Voltage Standing Wave Ratio O que você deve saber! Transmission Line Antenna Casamento perfeito Reflexão total Z1 ZL r 1 0,1 r 0,1 VSWR 1, 2 Z Z r 1 0,1 1 L 2012 Wurth Electronics Midcom 76

75 Casamento de impedância Porque casamos antenas? Perda de retorno na entrada depende de: Impedância e comprimento da linha de Alimentação Layout da PCB e tamanho do plano terra Gabinete plástico Otimização da perda de retorno Exemplos de casamento de antena Válido para os desenhos das testboards nas specs 2012 Wurth Electronics Midcom 77

76 Exemplos de componentes para RF Placa de teste WLAN TEXAS INSTRUMENTS Ref. Design Evaluation Board WE-MCA WE-MK 0402 WIRELESS MONITOR LINK 2012 Wurth Electronics Midcom 78

77 Exemplo de aplicação: GPS USB Dongle Modulo de rastreamento GPS Usando chipset µbox chip antena WE-MCA casamento com WE-KI Uso como rastreador GPS e sistemas de logística 2012 Wurth Electronics Midcom 79

78 Formação dos Partnumbers XXX (X)XXX LTCC components 11X = LPF X = LPF X = BPF X = BPF X = BAL X = BAL X = MCA 009 = ~900Mhz 017 = ~1700Mhz 024 = ~2400Mhz 055 = ~ 5500Mhz (0)092 = ~920Mhz (0)160 = ~1600Mhz (0)245 = ~2400Mhz (2)455 = ~4550Mhz 2012 Wurth Electronics Midcom 80

79 Q&A Wurth Electronics Midcom Brasil Fone: :+55(11) Fax: +55(11) Wurth Electronics Midcom 81

80 Wurth Electronics Midcom 82

81 Wurth Electronics Midcom 83

82 84 Disponível Globalmente. Presente localmente! Headquarter na Alemanha Catálogo WE Escritórios Distribuição Fábricas 2012 Wurth Electronics Midcom 84