Zakłócenia elektromagnetyczne (emi) - rodzaje, standardy i techniki ekranowania

Certyfikacja jest zwykle jednym z najbardziej kosztownych i żmudnych etapów podczas opracowywania nowego produktu sprzętowego. Pomaga władzom wiedzieć, że produkt jest zgodny ze wszystkimi określonymi przepisami i wytycznymi dotyczącymi jego funkcji. W ten sposób można zapewnić działanie tego konkretnego produktu, aby zapobiec zagrożeniom i szkodom dla jego użytkowników. Choć ten etap jest zwykle żmudny, ważne jest, aby firmy produkujące produkty zaplanowały to z wyprzedzeniem, aby uniknąć złożoności w ostatniej chwili. W dzisiejszym artykule przyjrzymy się EMI Design Standardco jest bardzo powszechną praktyką, o której projektanci muszą pamiętać, aby opracowywać produkty wysokiej jakości. Przyjrzymy się szczegółowo EMI i zbadamy jego typy, naturę, specyfikacje i standardy, mechanizmy sprzęgania i ekranowania oraz najlepsze praktyki dotyczące przechodzenia testów EMI.

Standardy EMI - jak to się wszystko zaczęło?

Standard EMI (zakłócenia elektromagnetyczne) został pierwotnie stworzony w celu ochrony obwodów elektronicznych przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, które mogą uniemożliwić im działanie w sposób, w jaki zostały pierwotnie zaprojektowane. Te zakłócenia mogą czasami nawet spowodować całkowitą awarię urządzenia, co może stać się niebezpieczne dla użytkowników. Po raz pierwszy wzbudził niepokój w latach pięćdziesiątych i wzbudził zainteresowanie wojska z powodu kilku godnych uwagi wypadków wynikających z awarii nawigacji spowodowanych zakłóceniami elektromagnetycznymi w systemach nawigacji i emisjami radarów prowadzącymi do nieumyślnego uwolnienia broni. W związku z tym wojsko chciało zapewnić zgodność systemów ze sobą, a działanie jednego z nich nie wpływa na drugie, ponieważ mogłoby to doprowadzić do ofiar śmiertelnych w ich jednostkach.

Poza zastosowaniami wojskowymi, niedawne postępy w medycynie i rozwiązaniach związanych ze zdrowiem, takich jak rozruszniki serca i inne rodzaje CIED, również przyczyniły się do zapotrzebowania na regulacje EMI, ponieważ ingerencja w takie urządzenia może prowadzić do sytuacji zagrażających życiu.

To między innymi scenariusze doprowadziły do ustanowienia standardu zakłóceń EMI i dużej liczby powołanych organów regulacyjnych EMC.

Co to są zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)?

Zakłócenia elektromagnetyczne można zdefiniować jako niepożądaną energię elektromagnetyczną, która zakłóca prawidłowe działanie urządzenia elektronicznego. Wszystkie urządzenia elektroniczne generują pewną ilość promieniowania elektromagnetycznego, ponieważ energia elektryczna przepływająca przez jego obwody i przewody nigdy nie jest w pełni zabezpieczona. Ta energia z urządzenia „A”, albo rozchodząca się w powietrzu jako promieniowanie elektromagnetyczne, albo sprzężona z (lub przewodzona) we / wy lub kablami innego urządzenia „B”, może zakłócić równowagę operacyjną w urządzeniu B, powodując, że urządzenie nieprawidłowe działanie czasami w niebezpieczny sposób. Ta energia z urządzenia A zakłócająca działanie urządzenia B nazywana jest interferencją elektromagnetyczną .

Zakłócenia mogą czasami pochodzić nawet ze źródeł naturalnych, takich jak burze elektryczne, ale najczęściej są one wynikiem działania innego urządzenia znajdującego się w pobliżu. Podczas gdy wszystkie urządzenia elektroniczne generują pewne zakłócenia elektromagnetyczne, niektóre rodzaje urządzeń, takie jak telefony komórkowe, wyświetlacze LED i silniki, są bardziej narażone na generowanie zakłóceń w porównaniu z innymi. Ponieważ żadne urządzenie nie może działać w odizolowanym środowisku, ważne jest, aby nasze urządzenia spełniały określone standardy, aby zapewnić jak najmniejsze zakłócenia. Te normy i przepisy są znane jako Standard EMI i każdy produkt / urządzenie, które ma być używane / sprzedawane w regionach / krajach, w których te normy są obowiązujące, musi uzyskać certyfikat, zanim będzie można ich używać.

Rodzaje zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)

Zanim przyjrzymy się normie i przepisom, prawdopodobnie ważne jest zbadanie rodzaju zakłóceń elektromagnetycznych, aby lepiej zrozumieć rodzaj odporności, który powinien być wbudowany w Twoje produkty. Zakłócenia elektromagnetyczne można podzielić na typy na podstawie kilku czynników, w tym;

Źródło EMI
Czas trwania EMI
Przepustowość EMI

Przyjrzymy się każdej z tych kategorii jedna po drugiej.

1. Źródło EMI

Jednym ze sposobów podziału EMI na typy jest zbadanie źródła zakłóceń i sposobu ich powstania. W tej kategorii istnieją zasadniczo dwa typy zakłóceń elektromagnetycznych, zakłócenia elektromagnetyczne występujące naturalnie i zakłócenia elektromagnetyczne spowodowane przez człowieka. Naturalnie występujących EMI dotyczy zakłócenia elektromagnetyczne, które występują w wyniku naturalnego zjawiska jak oświetlenie, burze elektrycznych i podobnych zjawisk. Z drugiej strony EMI wytworzone przez człowieka odnosi się do EMI, które powstają w wyniku działania innych urządzeń elektronicznych w pobliżu urządzenia (odbiornika) doświadczającego zakłóceń. Przykładami tego typu zakłóceń elektromagnetycznych są między innymi zakłócenia częstotliwości radiowej, zakłócenia elektromagnetyczne w sprzęcie dźwiękowym.

2. Czas trwania zakłóceń

EMI są również podzielone na typy w oparciu o czas trwania zakłóceń, tj. Okres czasu, w którym wystąpiły zakłócenia. Na tej podstawie EMI są zwykle grupowane w dwa typy, Continuous EMI i Impulse EMI. Ciągły EMI dotyczy instytucji pieniądza, które są w sposób ciągły emitowanych przez źródło. Źródło może być stworzone przez człowieka lub naturalne, ale interferencja występuje w sposób ciągły, dopóki istnieje mechanizm sprzężenia (przewodzenie lub promieniowanie) między źródłem EMI a odbiornikiem. Impulsowe EMIto EMI, które pojawiają się sporadycznie lub w bardzo krótkim czasie. Podobnie jak ciągłe EMI, impulsowe EMI mogą również występować naturalnie lub być spowodowane przez człowieka. Przykład obejmuje szum impulsowy, który występuje z przełączników, wyładowań atmosferycznych i podobnych źródeł, które mogą emitować sygnały powodujące zakłócenie równowagi napięcia lub prądu podłączonych pobliskich systemów.

3. Przepustowość EMI

EMI można również podzielić na typy na podstawie ich szerokości pasma. Szerokość pasma EMI odnosi się do zakresu częstotliwości, na których występuje EMI. Na tej podstawie EMI można podzielić na wąskopasmowe i szerokopasmowe. Wąskopasmowy OH zwykle składa się z pojedynczego częstotliwość lub wąskie pasmo częstotliwości interferencji, może być generowany przez oscylator formy lub w wyniku sygnałów zakłócających występujących z powodu różnych rodzajów zakłóceń w nadajniku. W większości przypadków mają one zwykle niewielki wpływ na komunikację lub sprzęt elektroniczny i można je łatwo wyłączyć. Jednak pozostają one silnym źródłem zakłóceń i powinny być utrzymywane w dopuszczalnych granicach. Szerokopasmowy EMISto EMI, które nie występują na częstotliwościach pojedynczych / dyskretnych. Zajmują dużą część widma magnetycznego, istnieją w różnych formach i mogą pochodzić z różnych źródeł sztucznych lub naturalnych. Typowe przyczyny to wyładowania łukowe i wyładowania koronowe, które stanowią źródło znacznego odsetka problemów z EMI w sprzęcie do przetwarzania danych cyfrowych. Dobrym przykładem naturalnie występującej sytuacji EMI jest „awaria słońca”, która występuje w wyniku zakłócenia przez energię słoneczną sygnału z satelity komunikacyjnego. Inne przykłady obejmują; EMI w wyniku wadliwych szczotek w silnikach / generatorach, wyładowań łukowych w układach zapłonowych, wadliwych linii energetycznych i złych świetlówek.

Charakter EMI

EMI, jak opisano wcześniej, to fale elektromagnetyczne, które składają się zarówno ze składowych pola E (elektrycznego), jak i H (magnetycznego), oscylujących pod kątem prostym względem siebie, jak pokazano poniżej. Każdy z tych komponentów inaczej reaguje na parametry, takie jak częstotliwość, napięcie, odległość i prąd, dlatego ważne jest, aby zrozumieć naturę EMI, aby wiedzieć, który z nich jest dominujący, zanim można będzie jasno rozwiązać problem.

Na przykład w przypadku komponentów pola elektrycznego tłumienie EMI można poprawić za pomocą materiałów o wysokiej przewodności, ale zmniejszyć przez materiały o zwiększonej przepuszczalności, co z kolei poprawia tłumienie dla komponentu pola magnetycznego. Jako taka, zwiększona przepuszczalność w systemie z EMI zdominowanym przez pole E zmniejszy tłumienie, ale tłumienie poprawi się w EMI zdominowanym przez pole H. Jednak ze względu na ostatnie postępy w technologiach stosowanych przy tworzeniu elementów elektronicznych, pole E jest zwykle głównym składnikiem zakłóceń.

Mechanizmy sprzęgania EMI

Mechanizm sprzężenia EMI opisuje, w jaki sposób zakłócenia elektromagnetyczne przechodzą od źródła do odbiornika (urządzenia, których dotyczy problem). Zrozumienie natury EMI oraz sposobu, w jaki jest on sprzężony od źródła do odbiornika, jest kluczem do rozwiązania problemu. Zasilane przez dwa komponenty (pole H i pole E), EMI są sprzężone ze źródła do odbiornika za pośrednictwem czterech głównych typów sprzężeń EMI, takich jak przewodzenie, promieniowanie, sprzężenie pojemnościowe i sprzężenie indukcyjne. Przyjrzyjmy się kolejno mechanizmom sprzęgającym.

1. Przewodzenie

Sprzężenie przewodzenia występuje, gdy emisje EMI są przekazywane wzdłuż przewodów (przewodów i kabli) łączących źródło EMI i odbiornik razem. EMI sprzężone w ten sposób jest powszechne w liniach zasilających i zwykle ciężkie w komponencie pola H. Sprzężenie przewodzące na liniach energetycznych może być przewodzeniem w trybie wspólnym (interferencja pojawia się w fazie na linii + ve i -ve lub liniach tx i rx) lub przewodzeniu w trybie różnicowym (interferencja pojawia się poza fazą na dwóch przewodach). Najpopularniejszym rozwiązaniem dla interferencji sprzężonej przewodowo jest zastosowanie filtrów i ekranowania na kablach.

2. Promieniowanie

Sprzężenie promieniowania jest najpopularniejszą i najczęściej doświadczaną formą sprzężenia EMI. W przeciwieństwie do przewodzenia, nie obejmuje fizycznego połączenia między źródłem a odbiornikiem, ponieważ zakłócenia są emitowane (wypromieniowywane) przez przestrzeń do odbiornika. Dobrym przykładem wypromieniowywanego EMI jest wspomniana wcześniej przerwa słoneczna.

3. Sprzęgło pojemnościowe

Dzieje się tak między dwoma podłączonymi urządzeniami. Sprzężenie pojemnościowe występuje, gdy zmieniające się napięcie w źródle pojemnościowo przenosi ładunek na ofiarę

4. Sprzężenie indukcyjne / magnetyczne

Odnosi się to do rodzaju zakłóceń elektromagnetycznych, które występują w wyniku indukcji zakłóceń przez przewodnik w innym przewodniku w pobliżu, w oparciu o zasady indukcji elektromagnetycznej.

Zakłócenia elektromagnetyczne i kompatybilność

Można powiedzieć, że norma EMI jest częścią normy regulacyjnej zwanej kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC). Zawiera listę standardów działania, które muszą spełniać urządzenia, aby wykazać, że są w stanie współistnieć z innymi urządzeniami i działać zgodnie z przeznaczeniem, bez wpływu również na działanie innych urządzeń. Jako takie normy EMI są zasadniczo częścią ogólnych norm EMC. Chociaż nazwy są zwykle używane zamiennie, istnieje między nimi wyraźna różnica, ale zostanie to omówione w kolejnym artykule.

Różne kraje i kontynenty / strefy ekonomiczne mają różne odmiany tych standardów, ale w tym artykule będziemy rozważać standardy Federalnej Komisji Łączności (FCC). Zgodnie z częścią 15 tytułu 47: Telekomunikacja, norm FCC, które regulują „niezamierzone” częstotliwości radiowe, istnieją dwie klasy urządzeń; Klasa A i B.

Urządzenia klasy A to urządzenia, które są przeznaczone do użytku w przemyśle, biurach, wszędzie poza domem, natomiast urządzenia klasy B to urządzenia przeznaczone do użytku domowego, niezależnie od ich wykorzystania w innych środowiskach.

Jeśli chodzi o emisje związane z przewodzeniem, w przypadku urządzeń klasy B przeznaczonych do użytku domowego, oczekuje się, że emisje będą ograniczone do wartości przedstawionych w poniższej tabeli. Poniższe informacje uzyskano ze strony internetowej Electronic Code of Federal Regulation.

Dla urządzeń klasy A limity są następujące;

W przypadku emisji wypromieniowywanych oczekuje się, że urządzenia klasy A nie przekraczają poniższego limitu dla określonych częstotliwości;

Częstotliwość (MHz)	µV / m
Od 30 do 88	100
88 do 216	150
216 do 960	200
960 i więcej	500

Podczas gdy dla urządzeń klasy B limity są;

Częstotliwość (MHz)	µV / m
Od 30 do 88	90
88 do 216	150
216 do 960	210
960 i więcej	300

Więcej informacji na temat tych norm można znaleźć na stronach różnych organów regulacyjnych.

Zgodność z tymi normami EMC dla urządzeń wymaga ochrony EMI na czterech poziomach: na poziomie poszczególnych komponentów, poziomie płytki / PCB, poziomie systemu i poziomie całego systemu. Aby to osiągnąć, zastosowano dwa główne środki; Zwykle stosuje się ekranowanie i uziemienie elektromagnetyczne, chociaż stosowane są również inne ważne środki, takie jak filtrowanie. Ze względu na zamknięty charakter większości urządzeń elektronicznych, ekranowanie EMI jest zwykle stosowane na poziomie systemu, aby powstrzymać zarówno promieniowane, jak i przewodzone EMI, aby zapewnić zgodność ze standardami EMC. W związku z tym przyjrzymy się praktycznym względom związanym z ekranowaniem jako środkiem ochrony przed EMI.

Ekranowanie elektromagnetyczne - chroń swój projekt przed zakłóceniami elektromagnetycznymi

Ekranowanie jest jednym z głównych środków przyjętych w celu zmniejszenia EMI w produktach elektronicznych. Polega na zastosowaniu metalowej obudowy / ekranu dla elektroniki lub kabli. W niektórych urządzeniach / sytuacjach, w których ekranowanie całego produktu może być zbyt kosztowne lub niepraktyczne, ekranowane są najbardziej krytyczne komponenty, które mogą być źródłem / ujściem EMI. Jest to szczególnie powszechne w większości wstępnie certyfikowanych modułów i układów komunikacyjnych.

Fizyczne ekranowanie redukuje EMI poprzez tłumienie (osłabianie) sygnałów EMI poprzez odbicie i pochłanianie jego fal. Metalowe ekrany są zaprojektowane w taki sposób, że są w stanie odbijać składową pola E, mając jednocześnie wysoką przepuszczalność magnetyczną do pochłaniania składowej pola H EMI. W kablach przewody sygnałowe są otoczone zewnętrzną warstwą przewodzącą, która jest uziemiona na jednym lub obu końcach, podczas gdy w przypadku obudów przewodząca metalowa obudowa działa jako ekran przeciwzakłóceniowy.

Idealnie, idealna obudowa EMC byłaby wykonana z gęstego materiału, takiego jak stal, w pełni uszczelniona ze wszystkich stron bez kabli, więc żadna fala nie dociera ani nie wychodzi, ale kilka względów, takich jak potrzeba, niski koszt obudów, zarządzanie ciepłem, konserwacja, kable zasilające i danych czynią takie ideały niepraktycznymi. W przypadku każdego z utworzonych otworów, ponieważ te potrzeby są potencjalnymi punktami wejścia / wyjścia dla EMI, projektanci są zmuszeni do podjęcia kilku środków, aby zapewnić, że ogólna wydajność urządzenia nadal mieści się w dopuszczalnych zakresach normy EMC na koniec dnia..

Praktyczne kwestie dotyczące ekranowania

Jak wspomniano powyżej, przy ekranowaniu za pomocą obudów lub kabli ekranujących należy uwzględnić kilka praktycznych względów. W przypadku produktu z krytycznymi możliwościami EMI (zdrowie, lotnictwo, zasilanie, komunikacja, wojsko itp.), Ważne jest, aby zespoły projektowe produktu składały się z osób posiadających odpowiednie doświadczenie w zakresie ekranowania i ogólnych sytuacji związanych z EMI. Ta sekcja zawiera szeroki przegląd niektórych możliwych wskazówek lub ekranowania EMI.

1. Projekt szafy i obudowy

Jak wspomniano powyżej, niemożliwe jest zaprojektowanie obudów bez pewnych otworów służących między innymi jako kratki wentylacyjne, otwory na kable, drzwi i np. Przełączniki. Te otwory w obudowach, niezależnie od ich wielkości lub kształtu, przez które fala EM może wchodzić lub wychodzić z obudowy, w kategoriach EMI, nazywane są szczelinami. Szczeliny muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby ich długość i orientacja względem częstotliwości RFI nie zamieniały ich w falowód, a ich wielkość i rozmieszczenie w przypadku kratek wentylacyjnych powinny zachowywać odpowiednią równowagę pomiędzy przepływem powietrza wymaganym do zachowania wymagań termicznych obwodów i możliwość kontrolowania EMI na podstawie wymaganego tłumienia sygnału i stosowanej częstotliwości RFI.

W krytycznych zastosowaniach, takich jak sprzęt wojskowy, szczeliny, takie jak drzwi itp., Są zwykle zaplatane specjalnymi uszczelkami zwanymi uszczelkami EMI. Występują w różnych typach, w tym z dzianej siatki drucianej i metalowych uszczelek spiralnych, ale przed wyborem uszczelki bierze się pod uwagę kilka czynników projektowych (zwykle koszty / korzyści). Ogólnie rzecz biorąc, liczba gniazd powinna być jak najmniejsza, a rozmiar jak najmniejszy.

2. Kable

Niektóre obudowy mogą wymagać posiadania otworów na kable; należy to również uwzględnić w projekcie obudowy. W

Poza tym kable służą również jako środek do przewodzenia EMI jako takiego w krytycznym sprzęcie, kable wykorzystują pleciony ekran, który jest następnie uziemiony. Chociaż takie podejście jest drogie, jest bardziej skuteczne. Jednak w sytuacjach o niskich kosztach gotowe rozwiązania, takie jak koraliki ferrytowe, są umieszczane w określonych miejscach na krawędziach kabli. Na poziomie PCB filtry są również zaimplementowane wzdłuż wejściowych linii zasilających.

Najlepsze praktyki w przeprowadzaniu testów EMI

Niektóre praktyki projektowania EMI, zwłaszcza na poziomie płyty, mające na celu kontrolowanie EMI obejmują;

Używaj wstępnie certyfikowanych modułów. Szczególnie w przypadku komunikacji użycie już certyfikowanych modułów zmniejsza ilość pracy, jaką zespół musi wykonać przy ekranowaniu i zmniejsza koszt certyfikacji produktu. Wskazówka dla profesjonalistów: Zamiast projektować nowy zasilacz do swojego projektu, zaprojektuj projekt tak, aby był kompatybilny z istniejącymi zasilaczami z półki. Oszczędza to koszty certyfikacji zasilacza.
Zachowaj małe pętle prądowe. Zdolność przewodnika do sprzęgania energii przez indukcję i promieniowanie jest obniżona za pomocą mniejszej pętli, która działa jak antena
W przypadku ścieżek par miedzianych płytek drukowanych (PC) należy stosować ścieżki szerokie (o niskiej impedancji) ustawione nad i pod sobą.
Zlokalizuj filtry u źródła zakłóceń, w zasadzie tak blisko do modułu zasilania, jak to możliwe. Wartości składowych filtra należy dobrać mając na uwadze pożądany zakres częstotliwości tłumienia. Na przykład kondensatory rezonują samoczynnie przy określonych częstotliwościach, poza którymi działają indukcyjnie. Przewody kondensatora obejściowego powinny być jak najkrótsze.
Umieścić elementy na płytce drukowanej, zwracając uwagę na bliskość źródeł zakłóceń do potencjalnie podatnych obwodów.
Stanowisko oddzielenie kondensatory jak najbardziej zbliżone do konwertera, zwłaszcza X i Y kondensatorów.
W miarę możliwości używaj płaszczyzn uziemienia, aby zminimalizować sprzężenie promieniowane, zminimalizować pole przekroju poprzecznego wrażliwych węzłów i zminimalizować pole przekroju poprzecznego węzłów wysokoprądowych, które mogą promieniować, na przykład z kondensatorów trybu wspólnego
Urządzenia do montażu powierzchniowego (SMD) są lepsze niż urządzenia ołowiowe w radzeniu sobie z energią RF ze względu na zmniejszoną indukcyjność i bliższe rozmieszczenie komponentów.

Podsumowując, ważne jest, aby podczas procesu rozwoju w zespole znajdowały się osoby posiadające takie doświadczenie projektowe, ponieważ pomaga to obniżyć koszty certyfikacji, a także zapewnia stabilność i niezawodność systemu oraz jego wydajność.