Interferența electromagnetică (emi) - tipuri, standarde și tehnici de ecranare

Certificarea este de obicei una dintre cele mai scumpe și plictisitoare etape din timpul dezvoltării unui nou produs hardware. Ajută autoritățile să știe că produsul respectă toate legile și liniile directoare stabilite în legătură cu funcțiile. În acest fel, performanța produsului respectiv poate fi asigurată pentru a preveni pericolele și dăunează utilizatorilor săi. Oricât de plictisitor este acest stadiu, este important ca companiile de produse să planifice acest lucru înainte de a anula complexitățile de ultim moment. Pentru articolul de astăzi, ne vom uita la EMI Design Standardcare este o practică foarte obișnuită pe care designerii trebuie să o țină în minte pentru a dezvolta produse de calitate. Vom analiza EMI în detaliu și vom examina tipurile, natura, specificațiile și standardele, mecanismele de cuplare și ecranare și cele mai bune practici pentru promovarea testelor EMI.

Standarde EMI - Cum a început totul?

Standardul EMI (interferență electromagnetică) a fost creat inițial pentru a proteja circuitele electronice de interferențele electromagnetice care le pot împiedica să funcționeze așa cum au fost proiectate inițial să fie. Aceste interferențe pot uneori chiar face ca dispozitivul să funcționeze complet defectuos și să devină periculos pentru utilizatori. A devenit pentru prima dată o preocupare în anii 1950 și a fost în primul rând de interes pentru militari datorită câtorva accidente notabile cauzate de defecțiunile de navigație datorate interferenței electromagnetice în sistemele de navigație și emisiilor radar care au dus la eliberarea accidentală a armelor. Ca atare, armata a dorit să se asigure că sistemele sunt compatibile între ele și operațiunile unuia nu îl afectează pe celălalt, deoarece acest lucru ar putea duce la decese în ambarcațiunile lor.

În afară de aplicațiile militare, progresele recente în medicină și soluții legate de sănătate, cum ar fi stimulatoarele cardiace și alte tipuri de CIED, au contribuit, de asemenea, la necesitatea reglementărilor EMI, deoarece interferențele în astfel de dispozitive ar putea duce la situații care pun viața în pericol.

Acestea, printre alte scenarii, sunt cele care au condus la stabilirea standardului de interferență EMI și la numărul mare de organisme de reglementare EMC care au fost stabilite.

Ce este interferența electromagnetică (EMI)?

Interferența electromagnetică poate fi definită ca energie electromagnetică nedorită care perturbă buna funcționare a unui dispozitiv electronic. Toate dispozitivele electronice generează o cantitate de radiație electromagnetică, deoarece electricitatea care curge prin circuitele și firele sale nu este niciodată complet conținută. Această energie din dispozitivul „A”, fie propagată prin aer ca radiație electromagnetică, fie cuplată în (sau condusă de-a lungul) I / O sau cabluri ale altui dispozitiv „B”, ar putea perturba echilibrul operațional din dispozitivul B, determinând defecțiuni uneori într-un mod periculos. Această energie din dispozitivul A care interferează cu operațiile dispozitivului B este denumită interferență electromagnetică .

Interferența poate proveni uneori chiar dintr-o sursă naturală, cum ar fi furtunile electrice, dar cel mai adesea este ca urmare a acțiunilor unui alt dispozitiv în imediata apropiere. În timp ce toate dispozitivele electronice generează unele EMI, o anumită clasă de dispozitive precum telefoanele mobile, afișajele cu LED-uri și motoarele în special, sunt mai susceptibile de a genera interferențe în comparație cu altele. Deoarece niciun dispozitiv nu poate funcționa într-un mediu izolat, este important să ne asigurăm că dispozitivele noastre respectă anumite standarde pentru a ne asigura că interferențele sunt menținute la minimum. Aceste standarde și reglementări sunt cunoscute sub denumirea de standard EMI și fiecare produs / dispozitiv care urmează să fie utilizat / vândut în regiuni / țări în care aceste standarde sunt legale, trebuie să fie certificate înainte de a putea fi utilizate.

Tipuri de interferență electromagnetică (EMI)

Înainte de a analiza standardul și reglementările, este probabil important să examinați tipul de EMI pentru a înțelege mai bine tipul de imunitate care ar trebui să fie încorporat în produsele dvs. Interferența electromagnetică poate fi clasificată în tipuri pe baza mai multor factori, inclusiv;

Sursa EMI
Durata IME
Lățimea de bandă a EMI

Vom analiza fiecare dintre aceste categorii una după alta.

1. Sursa EMI

O modalitate de clasificare a EMI în tipuri este examinarea sursei interferenței și a modului în care a fost creată. În această categorie, există practic două tipuri de EMI, EMI care apar în mod natural și EMI create de om. IME apar in mod natural se referă la interferențele electromagnetice care apar ca urmare a unor fenomene naturale cum ar fi e iluminat, furtuni electrice, precum și alte evenimente similare. Pe de altă parte, în timp ce EMI produse de om se referă la EMI care apar ca urmare a activităților altor dispozitive electronice din vecinătatea dispozitivului (receptorului) care suferă interferențe. Exemplele acestui tip de EMI includ, interferențe de radiofrecvență, EMI în echipamente sonore, printre altele.

2. Durata interferenței

EMI sunt, de asemenea, clasificate în tipuri pe baza duratei interferenței, adică a perioadei de timp pentru care a fost experimentată interferența. Pe baza acestora, IME sunt de obicei grupate în două tipuri, EMI continuu și EMI impuls. Continuă IME se referă la SMISU, care sunt emise în mod continuu de către o sursă. Sursa poate fi artificială sau naturală, dar interferența este experimentată continuu, atâta timp cât există un mecanism de cuplare (conducere sau radiație) între sursa EMI și receptor. Impuls EMIeste EMI care apar intermitent sau într-o durată foarte scurtă. La fel ca IME-urile continue, IME-ul Impulse ar putea fi, de asemenea, natural sau artificial. Exemplul include zgomotul de impuls experimentat de la comutatoare, iluminări și surse similare care ar putea emite semnale care provoacă o perturbare a echilibrului de tensiune sau curent al sistemelor din apropiere conectate.

3. Lățimea de bandă a EMI

IME-urile pot fi, de asemenea, clasificate în tipuri folosind lățimea lor de bandă. Lățimea de bandă a unui EMI se referă la gama de frecvențe pe care este experimentat EMI. Pe baza acestora, EMI-urile pot fi clasificate în EMI în bandă îngustă și EMI în bandă largă. Narrowband IME de obicei constă dintr - o singură frecvență sau o bandă îngustă de frecvențe de interferență, eventual fiind generate de o formă de oscilator sau ca urmare a semnalelor parazite care apar din cauza diferitelor tipuri de distorsiune într - un transmițător. În majoritatea cazurilor, acestea au de obicei un efect minor asupra comunicațiilor sau echipamentelor electronice și pot fi reglate cu ușurință. Cu toate acestea, ele rămân o sursă puternică de interferență și ar trebui menținute în limite acceptabile. EMIS de bandă largăsunt EMI care nu apar pe frecvențe unice / discrete. Acestea ocupă o mare parte a spectrului magnetic, există în diferite forme și pot apărea din diferite surse artificiale sau naturale. Cauzele tipice includ arcada și corona și reprezintă sursa unui procent bun de probleme EMI în echipamentele de date digitale. Un bun exemplu de situație EMI naturală este „Sun Outage”, care apare ca urmare a energiei de la soare care perturbă semnalul de la un satelit de comunicații. Alte exemple includ; EMI ca urmare a unor perii defecte la motoare / generatoare, arcuri în sistemele de aprindere, linii electrice defecte și lămpi fluorescente defecte.

Natura EMI

EMI, așa cum s-a descris mai sus, sunt unde electromagnetice care cuprind atât componentele câmpului E (electric), cât și H (magnetic), oscilând în unghi drept unul față de celălalt, așa cum se arată mai jos. Fiecare dintre aceste componente răspunde diferit la parametrii precum frecvența, tensiunea, distanța și curentul, prin urmare, este esențial să înțelegem natura EMI, să știm care dintre ele este dominantă înainte ca problema să poată fi abordată în mod clar.

De exemplu, pentru componentele câmpului electric, atenuarea EMI poate fi îmbunătățită prin materiale cu conductivitate ridicată, dar redusă cu materiale cu permeabilitate crescută, ceea ce, în schimb, îmbunătățește atenuarea pentru componenta câmpului magnetic. Ca atare, permeabilitatea crescută într-un sistem cu EMI dominat de câmpul E va reduce atenuarea, dar atenuarea se va îmbunătăți într-un EMI dominat de câmpul H. Cu toate acestea, datorită progreselor recente în tehnologiile utilizate în crearea componentelor electronice, câmpul E este de obicei componenta majoră a interferenței.

Mecanisme de cuplare EMI

Mecanismul de cuplare EMI descrie modul în care EMI ajunge de la sursă la receptor (dispozitive afectate). Înțelegerea naturii EMI împreună cu modul în care este cuplat de la sursă la receptor este esențială pentru soluționarea problemei. Alimentate de cele două componente (câmpul H și câmpul E), EMI-urile sunt cuplate de la o sursă la un receptor prin intermediul a patru tipuri majore de cuplare EMI pe care le conduc, radiație, cuplare capacitivă și cuplare inductivă. Să aruncăm o privire la mecanismele de cuplare unul după altul.

1. Conducerea

Cuplarea prin conducție are loc atunci când emisiile EMI sunt transmise de-a lungul conductoarelor (fire și cabluri) care conectează sursa EMI și receptorul împreună. EMI cuplat în acest mod este comun pe liniile de alimentare cu energie și, de obicei, greu pe componenta câmpului H. Cuplarea de conducere pe liniile de alimentare ar putea fi fie conducerea în modul comun (interferența apare în fază pe linia + ve și -ve sau pe liniile tx și rx) sau conducerea în mod diferențial (interferența apare defazată pe două conducte). Cea mai populară soluție la interferența cuplată prin conducție este utilizarea filtrelor și a ecranului peste cabluri.

2. Radiații

Cuplarea prin radiații este cea mai populară și mai experimentată formă de cuplare EMI. Spre deosebire de conducere, nu implică nicio conexiune fizică între sursă și receptor, deoarece interferența este emisă (radiată) prin spațiu către receptor. Un bun exemplu de EMI radiat este întreruperea solară menționată anterior.

3. Cuplaj capacitiv

Acest lucru se întâmplă între două dispozitive conectate. Cuplarea capacitivă există atunci când o tensiune modificată în sursă transferă capacitiv victimei o sarcină

4. Cuplaj inductiv / magnetic

Aceasta se referă la tipul de EMI care apare ca rezultat al unui conductor care induce interferențe într-un alt conductor din apropiere pe baza principiilor inducției electromagnetice.

Interferența și compatibilitatea electromagnetică

Se poate spune că standardul EMI face parte din standardul de reglementare numit Compatibilitate electromagnetică (EMC). Conține o listă de standarde de performanță pe care dispozitivele trebuie să le îndeplinească pentru a demonstra că sunt capabile să coexiste cu alte dispozitive și să funcționeze așa cum au fost proiectate, fără a afecta și performanța celorlalte dispozitive. Ca atare, standardele EMI fac parte, în esență, din standardele generale EMC. În timp ce denumirile sunt utilizate de obicei în mod interschimbabil, există o diferență clară între ele, dar aceasta va fi acoperită într-un articol de urmărire.

Diferite țări și continente / zone economice, au variații diferite ale acestor standarde, dar pentru acest articol, vom lua în considerare standardele Comisiei federale de comunicații (FCC). În conformitate cu partea 15 a titlului 47: Telecomunicații, din standardele FCC, care reglementează frecvența radio „neintenționată”, există două clase de dispozitive; Clasa A și B.

Dispozitivele din clasa A sunt dispozitive destinate utilizării în industrie, birouri, oriunde altundeva decât în casă, în timp ce dispozitivele din clasa B sunt dispozitive destinate uzului casnic, în ciuda utilizării sale în alte medii.

În ceea ce privește emisiile cuplate prin conducție, pentru dispozitivele din clasa B menite să fie utilizate la domiciliu, se așteaptă ca emisiile să fie limitate la valorile prezentate în tabelul de mai jos. Următoarele informații sunt obținute de pe site-ul web al Codului electronic al reglementării federale.

Pentru dispozitivele din clasa A limitele sunt;

Pentru emisiile radiate, este de așteptat ca dispozitivele din clasa A să rămână în limita de mai jos pentru frecvențele specificate;

Frecvența (MHz)	µV / m
30 la 88	100
88 - 216	150
216 - 960	200
960 și peste	500

În timp ce pentru dispozitivele de clasa B, limitele sunt;

Frecvența (MHz)	µV / m
30 la 88	90
88 - 216	150
216 - 960	210
960 și peste	300

Mai multe informații despre aceste standarde pot fi găsite pe pagina diferitelor organisme de reglementare.

Respectarea acestor standarde EMC pentru dispozitive necesită protecție EMI la patru niveluri: nivelul componentelor individuale, nivelul plăcii / PCB, nivelul sistemului și nivelul general al sistemului. Pentru a realiza acest lucru, două măsuri majore; Protecția electromagnetică și împământarea sunt de obicei utilizate, deși sunt utilizate și alte măsuri importante, cum ar fi filtrarea. Datorită naturii închise a majorității dispozitivelor electronice, ecranarea EMI este de obicei aplicată la nivel de sistem pentru a conține atât EMI radiate, cât și EMI-uri conduse, pentru a asigura conformitatea cu standardele EMC. Ca atare, ne vom uita la considerații practice legate de ecranare ca măsură pentru protecția EMI.

Ecranare electromagnetică - Protejați-vă designul de EMI

Protecția este una dintre măsurile majore adoptate pentru reducerea EMI în produsele electronice. Aceasta implică utilizarea unei carcase / scuturi metalice pentru electronice sau cabluri. În anumite echipamente / situații în care ecranarea întregului produs ar putea fi prea costisitoare sau impracticabilă, cele mai critice componente care ar putea fi o sursă / chiuvetă EMI sunt protejate. Acest lucru este deosebit de frecvent în majoritatea modulelor și cipurilor de comunicații pre-certificate.

Ecranarea fizică reduce EMI prin atenuarea (slăbirea) semnalelor EMI prin reflectarea și absorbția undelor sale. Ecranele metalice sunt proiectate în așa fel încât să poată reflecta componenta câmpului E, având în același timp o permeabilitate magnetică ridicată pentru ca aceasta să absoarbă componenta câmpului H a EMI. În cabluri, firele de semnal sunt înconjurate de un strat conductor exterior care este împământat la unul sau ambele capete, în timp ce pentru carcase o carcasă metalică conductivă acționează ca un ecran de interferență.

În mod ideal, carcasa EMC perfectă ar fi una realizată dintr-un material dens precum oțelul, complet sigilat pe toate părțile, fără cabluri, astfel încât nu se deplasează valuri în interior sau în afara, dar mai multe considerații, cum ar fi necesitatea, costuri reduse pentru carcase, gestionarea căldurii întreținerea, alimentarea și cablurile de date, printre altele, fac ca aceste idealuri să nu fie practice. Cu fiecare dintre găurile create, deoarece aceste nevoi reprezintă un potențial punct de intrare / ieșire pentru EMI, proiectanții sunt obligați să ia mai multe măsuri pentru a se asigura că performanța generală a dispozitivului este încă în limitele admise ale standardului EMC la sfârșitul zilei.

Protejarea considerentelor practice

După cum sa menționat mai sus, sunt necesare câteva considerații practice atunci când ecranarea cu carcase sau cabluri de protecție. Pentru produsele cu posibilități critice de EMI (sănătate, aviație, energie, comunicare, militare și așa mai departe), este important ca echipele de proiectare a produselor să cuprindă persoane cu experiența relevantă în domeniul protecției și situațiilor generale de EMI. Această secțiune va oferi o imagine de ansamblu largă a unor sfaturi posibile sau ecranare EMI.

1. Proiectarea cabinetului și a incintei

Așa cum s-a menționat mai sus, este imposibil să proiectați carcase fără anumite deschideri care să servească drept grile de ventilație, găuri pentru cabluri, uși și lucruri precum întrerupătoare, printre altele. Aceste deschideri de pe incinte, indiferent de dimensiunea sau forma lor, prin care o undă EM poate intra sau ieși din incintă, în termeni EMI, sunt denumite sloturi. Sloturile trebuie proiectate astfel încât lungimea și orientarea lor față de frecvența RFI să nu le transforme într-un ghid de undă, în timp ce dimensiunea și dispunerea lor în cazul grilelor de ventilație ar trebui să mențină un echilibru corect între fluxul de aer necesar pentru a menține cerințele termice. a circuitelor și a capacității de a controla EMI pe baza atenuării semnalului necesare și a frecvenței RFI implicate.

În aplicațiile critice, cum ar fi echipamentele militare, sloturile, cum ar fi ușile etc., sunt de obicei legate cu garnituri specializate numite garnituri EMI. Acestea sunt disponibile în diferite tipuri, inclusiv plasă de sârmă tricotată și garnituri spiralate metalice, dar sunt luați în considerare mai mulți factori de proiectare (de obicei costuri / beneficii) înainte de alegerea garniturii. În general, numărul de sloturi ar trebui să fie cât mai mic posibil și dimensiunea ar trebui să fie cât mai mică posibil.

2. Cabluri

Este posibil să fie necesar ca anumite incinte să aibă deschideri de cablu; acest lucru trebuie luat în considerare și în proiectarea incintei. În

În afară de aceasta, cablurile servesc și ca mijloace de EMI conduse ca atare în echipamentele critice, cablurile folosesc un scut împletit care este apoi împământat. Deși această abordare este costisitoare, este mai eficientă. Cu toate acestea, în situații de cost redus, soluțiile de pe raft, cum ar fi mărgele de ferită, sunt plasate în locații specifice la marginea cablurilor. La nivelul plăcii PCB, filtrele sunt, de asemenea, implementate de-a lungul liniilor de alimentare de intrare.

Cele mai bune practici pentru promovarea testelor EMI

Unele dintre practicile de proiectare EMI, în special la nivel de consiliu, pentru a ține sub control EMI includ;

Utilizați module precertificate. În special pentru comunicare, utilizarea modulelor deja certificate reduce cantitatea de muncă pe care echipa trebuie să o facă în ecranare și reduce costul certificării pentru produsul dvs. Sfat Pro: În loc să proiectați o nouă sursă de alimentare pentru proiectul dvs., proiectați proiectul astfel încât să fie compatibil cu sursele de alimentare existente de pe raft. Acest lucru vă economisește costul certificării sursei de alimentare.
Păstrați buclele curente mici. Capacitatea unui conductor de a cupla energia prin inducție și radiație este redusă cu o buclă mai mică, care acționează ca o antenă
Pentru perechile de urme ale plăcilor de circuite imprimate din cupru (PC), utilizați urme largi (cu impedanță redusă) aliniate una deasupra și sub alta.
Localizați filtrele la sursa de interferență, practic cât mai aproape de modulul de alimentare. Valorile componentelor filtrului trebuie alese ținând cont de frecvența dorită de atenuare. De exemplu, condensatorii auto-rezonează la anumite frecvențe, dincolo de care acționează inductiv. Mențineți cablurile de bypass ale condensatorului cât mai scurt posibil.
Așezați componentele pe PCB, luând în considerare apropierea surselor de zgomot de circuitele potențial susceptibile.
Poziționați condensatorii de decuplare cât mai aproape posibil de convertor, în special condensatorii X și Y.
Utilizați planuri de sol atunci când este posibil pentru a minimiza cuplarea radiată, a minimiza aria secțiunii transversale a nodurilor sensibile și a minimiza aria secțiunii transversale a nodurilor de curent mare care pot radia, cum ar fi cele de la condensatoarele de mod comun
Dispozitivele de montare la suprafață (SMD) sunt mai bune decât dispozitivele cu plumb în tratarea energiei RF, datorită inductanțelor reduse și a plasării mai apropiate a componentelor disponibile.

Una peste alta, este important să aveți persoane cu aceste experiențe de proiectare în echipa dvs. în timpul procesului de dezvoltare, deoarece ajută la economisirea costurilor în certificare și asigură, de asemenea, stabilitatea și fiabilitatea sistemului dvs. și performanța acestuia.