Elektromagnetické rušenie (emi) - typy, normy a tieniace techniky

Certifikácia je zvyčajne jednou z najdrahších a najnáročnejších fáz počas vývoja nového hardvérového produktu. Pomáha orgánom vedieť, že produkt dodržiava všetky stanovené zákony a smernice týkajúce sa funkcií. Týmto spôsobom je možné zabezpečiť výkonnosť konkrétneho produktu, aby sa zabránilo nebezpečenstvám a škodám pre jeho používateľov. Akokoľvek je táto fáza zdĺhavá, je dôležité, aby si to produktové spoločnosti vopred naplánovali, aby tak odstránili zložitosti na poslednú chvíľu. Pre dnešný článok sa pozrieme na EMI Design Standardčo je veľmi častá prax, ktorú si musia dizajnéri pamätať pri vývoji kvalitných výrobkov. Podrobne sa pozrieme na EMI a preskúmame jeho typy, povahu, špecifikácie a normy, mechanizmy spojenia a tienenia a osvedčené postupy pri absolvovaní testov EMI.

Normy EMI - ako to všetko začalo?

Norma EMI (elektromagnetické rušenie) bola pôvodne vytvorená na ochranu elektronických obvodov pred elektromagnetickým rušením, ktoré im môže brániť v tom, aby fungovali tak, ako boli pôvodne navrhnuté. Tieto interferencie môžu niekedy dokonca spôsobiť úplnú poruchu zariadenia, ktorá by mohla byť pre používateľov nebezpečná. Prvýkrát sa stal problémom v 50. rokoch a zaujímal ho predovšetkým armáda kvôli niekoľkým pozoruhodným nehodám spôsobeným poruchami navigácie v dôsledku elektromagnetického rušenia v navigačných systémoch a radarovými emisiami vedúcimi k neúmyselnému uvoľneniu zbraní. Armáda preto chcela zabezpečiť, aby boli systémy navzájom kompatibilné a prevádzka jedného z nich neovplyvňuje druhý, pretože by to mohlo viesť k smrteľným následkom v ich plavidle.

Okrem vojenských aplikácií, nedávny pokrok v riešeniach medicíny a zdravia, ako sú kardiostimulátory a iné druhy CIED, tiež prispel k potrebe predpisov EMI, pretože interferencia s takýmito zariadeniami by mohla viesť k život ohrozujúcim situáciám.

Medzi ďalšie scenáre patrí to, čo vedie k ustanoveniu normy rušenia EMI a k veľkému počtu regulačných orgánov EMC, ktoré boli zriadené.

Čo je elektromagnetické rušenie (EMI)?

Elektromagnetické rušenie možno definovať ako nežiaducu elektromagnetickú energiu, ktorá narúša správne fungovanie elektronického zariadenia. Všetky elektronické zariadenia generujú určité množstvo elektromagnetického žiarenia, pretože elektrina pretekajúca ich obvodmi a vodičmi nie je nikdy úplne izolovaná. Táto energia zo zariadenia „A“, ktorá sa buď šíri vzduchom ako elektromagnetické žiarenie, alebo sa spája (alebo vedie pozdĺž) I / O alebo káblov iného zariadenia „B“, by mohla narušiť prevádzkovú rovnováhu v zariadení B a spôsobiť nefunkčnosť niekedy nebezpečným spôsobom. Táto energia zo zariadenia A, ktorá narúša činnosť zariadenia B, sa nazýva elektromagnetické rušenie .

Rušenie môže niekedy pochádzať z prírodného zdroja, ako sú elektrické búrky, ale častejšie je to spravidla v dôsledku činnosti iného zariadenia v tesnej blízkosti. Zatiaľ čo všetky elektronické zariadenia generujú niektoré EMI, je pravdepodobnejšie, že určitá trieda zariadení, ako sú napríklad mobilné telefóny, najmä LED displeje a motory, bude v porovnaní s ostatnými generovať rušenie. Pretože žiadne zariadenie nemôže pracovať v izolovanom prostredí, je dôležité zabezpečiť, aby naše zariadenia dodržiavali určité normy, aby sa zabezpečilo čo najmenšie rušenie. Tieto štandardy a nariadenia sú známe ako štandard EMI a každý výrobok / zariadenie, ktoré sa má používať / predávať v regiónoch / krajinách, kde sú tieto normy zákonom, musí byť pred použitím certifikované.

Typy elektromagnetického rušenia (EMI)

Skôr ako sa pozrieme na normu a nariadenia, je pravdepodobne dôležité preskúmať typ EMI, aby ste lepšie pochopili druh imunity, ktorá by mala byť vo vašich výrobkoch zabudovaná. Elektromagnetické rušenie možno rozdeliť do niekoľkých typov na základe niekoľkých faktorov vrátane;

Zdroj EMI
Trvanie EMI
Šírka pásma EMI

Na každú z týchto kategórií sa pozrieme jeden po druhom.

1. Zdroj EMI

Jedným zo spôsobov kategorizácie EMI na typy je preskúmanie zdroja rušenia a spôsobu jeho vzniku. V tejto kategórii v zásade existujú dva typy EMI, prirodzene sa vyskytujúce EMI a umelo vyrobené EMI. Prirodzene sa vyskytujúce EMI sa týka elektromagnetického rušenia, ktoré sa vyskytujú v dôsledku prírodných javov, ako je osvetlenie, búrky a iných podobných udalostí. Zatiaľ čo umelo vyrobený EMI na druhej strane označuje EMI, ktoré sa vyskytujú v dôsledku činností iných elektronických zariadení v blízkosti zariadenia (prijímača), ktoré rušenie rušia. Medzi príklady týchto typov EMI patrí okrem iného vysokofrekvenčné rušenie, EMI v zvukových zariadeniach.

2. Trvanie rušenia

EMI sa tiež kategorizujú do typov na základe dĺžky trvania rušenia, tj časového obdobia, počas ktorého k rušeniu došlo. Na základe toho sa EMI zvyčajne zoskupujú do dvoch typov, kontinuálneho EMI a Impulse EMI. Kontinuálne EMI sa týka elektronických peňazí, ktoré sú neustále vyžarovaných zdrojom. Zdroj môže byť vytvorený človekom alebo prírodný, ale interferencia je ovplyvňovaná nepretržite, pokiaľ existuje väzbový mechanizmus (vedenie alebo žiarenie) medzi zdrojom EMI a prijímačom. Impulzný EMIsú EMI, ktoré sa vyskytujú prerušovane alebo vo veľmi krátkom čase. Rovnako ako nepretržité EMI môže byť aj Impulse EMI prirodzene sa vyskytujúce alebo vytvorené človekom. Príklad zahŕňa impulzný šum zo spínačov, osvetlenia a podobných zdrojov, ktorý by mohol vysielať signály, ktoré spôsobujú narušenie rovnováhy napätia alebo prúdu pripojených blízkych systémov.

3. Šírka pásma EMI

EMI možno tiež rozdeliť do typov podľa ich šírky pásma. Šírka pásma EMI sa týka rozsahu frekvencií, na ktorých sa EMI vyskytuje. Na základe toho možno EMI kategorizovať na úzkopásmové EMI a širokopásmové EMI. Úzkopásmové EMI sa obvykle skladá z jednej frekvencie alebo úzkopásmový interferenčných frekvencií, ktoré môžu byť vytvorené formou oscilátora alebo v dôsledku rušivých signálov, spôsobené rôznymi druhmi skreslenia vo vysielači. Vo väčšine prípadov majú zvyčajne malý vplyv na komunikáciu alebo elektronické zariadenia a dajú sa ľahko vyladiť. Naďalej však zostávajú účinným zdrojom interferencie a mali by sa udržiavať v prijateľných medziach. Broadband inštitúcie elektronického peňažníctvasú EMI, ktoré sa nevyskytujú na jednotlivých / samostatných frekvenciách. Zaberajú veľkú časť magnetického spektra, existujú v rôznych formách a môžu vzniknúť z rôznych človekom vytvorených alebo prírodných zdrojov. Medzi typické príčiny patrí oblúk a koróna, čo predstavuje zdroj dobrého percenta problémov s EMI v digitálnych dátových zariadeniach. Dobrým príkladom prirodzene sa vyskytujúcej situácie EMI je „Výpadok slnka“, ku ktorému dochádza v dôsledku energie zo slnka, ktorá narúša signál z komunikačného satelitu. Medzi ďalšie príklady patrí; EMI v dôsledku chybných kefiek v motoroch / generátoroch, oblúka v zapaľovacích systémoch, chybného elektrického vedenia a zlých žiariviek.

Povaha EMI

EMI, ako už bolo opísané, sú elektromagnetické vlny, ktoré pozostávajú z komponentov poľa E (elektrického) a H (magnetického) a navzájom navzájom kolísajú v pravom uhle, ako je to znázornené nižšie. Každá z týchto zložiek reaguje odlišne na parametre, ako sú frekvencia, napätie, vzdialenosť a prúd, a preto je dôležité pochopiť podstatu EMI a vedieť, ktorá z nich je dominantná, skôr ako bude možné problém jasne vyriešiť.

Napríklad pre komponenty elektrického poľa možno potlačiť EMI pomocou materiálov s vysokou vodivosťou, ale znížiť pomocou materiálov so zvýšenou permeabilitou, čo naopak zlepšuje útlm komponentu magnetického poľa. Zvýšená permeabilita v systéme s EMI ovládaným E-poľom ako taká zníži útlm, ale útlm sa zlepší v EMI s H-poľom. Avšak vzhľadom na nedávny pokrok v technológiách používaných pri vytváraní elektronických súčiastok je E-pole zvyčajne hlavnou zložkou rušenia.

Spojovacie mechanizmy EMI

Mechanizmus väzby EMI popisuje, ako sa EMI dostávajú od zdroja k prijímaču (ovplyvnené zariadenia). Pochopenie podstaty EMI spolu s tým, ako je prepojený od zdroja k prijímaču, je kľúčom k riešeniu problému. Poháňané dvoma komponentmi (H-pole a E-pole) sú EMI prepojené zo zdroja do prijímača prostredníctvom štyroch hlavných typov EMI väzby, ktorou sú vodivé, radiačné, kapacitné väzby a indukčné väzby. Pozrime sa postupne na spojovacie mechanizmy.

1. Vedenie

K prepojeniu vedenia dôjde, keď sú emisie EMI prenášané pozdĺž vodičov (drôtov a káblov) spájajúcich zdroj EMI a prijímač dohromady. EMI spojené týmto spôsobom je bežné na napájacích vedeniach a zvyčajne ťažké na komponente H-poľa. Prepojenie vedenia na elektrických vedeniach môže byť buď vedenie v bežnom režime (rušenie sa objavuje vo fáze na kladnom a zápornom vedení alebo na vedení tx a rx) alebo vedenie v diferenciálnom režime (rušenie sa objavuje mimo fázy na dvoch vodeniach). Najpopulárnejším riešením rušenia spojeného s vedením je použitie filtrov a tienenia cez káble.

2. Žiarenie

Radiačná väzba je najpopulárnejšia a bežne používaná forma spojenia EMI. Na rozdiel od vedenia nezahŕňa žiadne fyzické spojenie medzi zdrojom a prijímačom, pretože interferencia je emitovaná (vyžarovaná) cez priestor do prijímača. Dobrým príkladom vyžarovaného EMI je skôr uvedený výpadok slnka.

3. Kapacitná väzba

K tomu dochádza medzi dvoma pripojenými zariadeniami. Kapacitná väzba existuje, keď meniace sa napätie v zdroji kapacitne prenáša náboj na obeť

4. Indukčné / magnetické spojenie

Týka sa to druhu EMI, ku ktorému dochádza v dôsledku rušenia vodiča v inom vodiči blízko založeného na princípoch elektromagnetickej indukcie.

Elektromagnetické rušenie a kompatibilita

O štandarde EMI možno povedať, že je súčasťou regulačného štandardu zvaného Elektromagnetická kompatibilita (EMC). Obsahuje zoznam výkonových štandardov, ktoré musia zariadenia spĺňať, aby preukázali, že sú schopné koexistovať s inými zariadeniami a pracovať tak, ako sú navrhnuté, bez toho, aby to malo vplyv na výkon ostatných zariadení. Normy EMI sú ako také v podstate súčasťou všeobecných štandardov EMC. Aj keď sa názvy zvyčajne používajú zameniteľné, existuje medzi nimi jasný rozdiel, ale to bude obsiahnuté v nasledujúcom článku.

Rôzne krajiny a kontinenty / hospodárske zóny majú odlišné variácie týchto štandardov, ale pre tento článok budeme brať do úvahy štandardy Federálnej komunikačnej komisie (FCC). Podľa časti 15 hlavy 47: Telekomunikácie existujú normy triedy FCC, ktoré regulujú „neúmyselné“ rádiové frekvencie, dve triedy zariadení; Trieda A a B.

Zariadenia triedy A sú zariadenia určené na použitie v priemysle, kanceláriách kdekoľvek inde ako v domácnosti, zatiaľ čo zariadenia CLass B sú zariadenia určené na domáce použitie bez ohľadu na použitie v iných prostrediach.

Pokiaľ ide o emisie spojené vedením, u zariadení triedy B určených na použitie v domácnosti sa očakáva, že emisie budú obmedzené na hodnoty uvedené v nasledujúcej tabuľke. Nasledujúce informácie sú získané z elektronického kódexu webových stránok federálneho nariadenia.

Pre zariadenia triedy A sú to limity;

Pokiaľ ide o vyžarované emisie, očakáva sa, že zariadenia triedy A zostanú v rámci nižšie uvedených limitov pre stanovené frekvencie;

Frekvencia (MHz)	uV / m
30 až 88	100
88 až 216	150
216 až 960	200
960 a vyššie	500

Pokiaľ ide o zariadenia triedy B, limity sú;

Frekvencia (MHz)	uV / m
30 až 88	90
88 až 216	150
216 až 960	210
960 a vyššie	300

Viac informácií o týchto normách sa nachádza na stránke rôznych regulačných orgánov.

V súlade s týmito normami EMC pre zariadenia sa vyžaduje ochrana EMI na štyroch úrovniach: úroveň jednotlivých komponentov, úroveň dosiek / dosiek plošných spojov, úroveň systému a celková úroveň systému. Na dosiahnutie tohto cieľa sú potrebné dve hlavné opatrenia; Zvyčajne sa používa elektromagnetické tienenie a uzemnenie, aj keď sa uplatňujú aj ďalšie dôležité opatrenia, ako je filtrovanie. Kvôli uzavretej povahe väčšiny elektronických zariadení sa EMI tienenie zvyčajne aplikuje na systémovej úrovni, aby obsahovalo vyžarované aj vodivé EMI, aby sa zabezpečil súlad s normami EMC. Preto sa pozrieme na praktické úvahy týkajúce sa tienenia ako opatrenia na ochranu EMI.

Elektromagnetické tienenie - chráňte svoj dizajn pred EMI

Tienenie je jedným z hlavných opatrení prijatých na zníženie EMI v elektronických výrobkoch. Zahŕňa použitie kovového krytu / tienenia pre elektroniku alebo káble. V určitých zariadeniach / situáciách, keď môže byť tienenie celého produktu príliš nákladné alebo nepraktické, sú tienené tie najdôležitejšie komponenty, ktoré by mohli byť zdrojom / výlevkou EMI. Toto je obzvlášť bežné vo väčšine predcertifikovaných komunikačných modulov a čipov.

Fyzické tienenie znižuje EMI zoslabením (oslabením) EMI signálov prostredníctvom odrazu a absorpcie jeho vĺn. Kovové štíty sú navrhnuté tak, aby boli schopné odrážať zložku E-poľa a zároveň vykazovať vysokú magnetickú permeabilitu pre absorpciu zložky H-poľa EMI. V kábloch sú signálne vodiče obklopené vonkajšou vodivou vrstvou, ktorá je na jednom alebo na oboch koncoch uzemnená, zatiaľ čo pre kryty slúži vodivé kovové puzdro ako interferenčný štít.

Ideálne by bolo, keby dokonalým krytom EMC bol kryt vyrobený z hustého materiálu, ako je oceľ, ktorý je na všetkých stranách úplne utesnený bez káblov, takže nedochádza k vlneniu alebo vybočeniu vĺn, ale je potrebné zohľadniť niekoľko faktorov, ako napríklad potrebu, nízke náklady na kryty, riadenie tepla, okrem iného kvôli údržbe, napájaniu a dátovým káblom, sú tieto ideály nepraktické. S každou vytvorenou dierou, pretože tieto potreby sú potenciálnymi vstupnými / výstupnými bodmi pre EMI, sú dizajnéri nútení prijať niekoľko opatrení, aby zabezpečili, že celkový výkon zariadenia bude na konci dňa stále v prípustnom rozmedzí normy EMC..

Tienenie praktické aspekty

Ako bolo uvedené vyššie, pri tienení krytmi alebo tieniacimi káblami je potrebných niekoľko praktických úvah. Pre produkt s kritickými možnosťami EMI (zdravie, letectvo, energetika, komunikácia, armáda atď.) Je dôležité, aby tímy pre návrh produktov pozostávali z jednotlivcov s príslušnými skúsenosťami s tienením a všeobecnými situáciami EMI. Táto časť poskytuje všeobecný prehľad niektorých možných tipov alebo tienenia EMI.

1. Dizajn skrinky a krytu

Ako už bolo spomenuté vyššie, nie je možné navrhnúť kryty bez určitých otvorov, ktoré by slúžili okrem iného ako ventilačné mriežky, otvory pre káble, dvere a napríklad pre spínače. Tieto otvory na krytoch, bez ohľadu na ich veľkosť alebo tvar, cez ktoré môže elektromagnetická vlna vstupovať alebo vystupovať z krytu, sa z hľadiska EMI označujú ako sloty. Sloty musia byť navrhnuté tak, aby ich dĺžka a orientácia vo vzťahu k frekvencii RFI neprerobila vlnovod, zatiaľ čo ich veľkosť a usporiadanie v prípade ventilačných mriežok by mali udržiavať správnu rovnováhu medzi prúdením vzduchu potrebným na udržanie tepelných požiadaviek obvodov a schopnosti riadiť EMI na základe požadovaného útlmu signálu a použitej frekvencie RFI.

V kritických aplikáciách, ako je vojenské vybavenie, sú štrbiny ako dvere atď. Zvyčajne spojené so špeciálnymi tesneniami nazývanými EMI tesnenia. Dodávajú sa v rôznych druhoch vrátane pleteného pletiva a kovových špirálových tesnení, ale pred výberom tesnenia sa zváži niekoľko dizajnových faktorov (zvyčajne cena / úžitok). Celkový počet slotov by mal byť čo najmenší a veľkosť by mala byť čo najmenšia.

2. Káble

Môže sa vyžadovať, aby niektoré kryty mali otvory pre káble; to musí byť zohľadnené aj v dizajne krytu. V

Okrem toho káble slúžia aj ako prostriedok na vedenie EMI ako takých v kritických zariadeniach. Káble používajú opletený štít, ktorý sa potom uzemní. Aj keď je tento prístup drahý, je efektívnejší. Avšak v situáciách s nízkymi nákladmi sú štandardné riešenia, ako sú feritové guľôčky, umiestnené na konkrétnych miestach na okraji káblov. Na úrovni dosky s plošnými spojmi sú filtre tiež implementované pozdĺž vstupných elektrických vedení.

Najlepšie postupy pri absolvovaní testov EMI

Niektoré z postupov pri navrhovaní EMI, najmä na úrovni predstavenstva, ktoré udržujú EMI pod kontrolou, zahŕňajú:

Používajte vopred certifikované moduly. Špeciálne pre komunikáciu použitie už certifikovaných modulov znižuje množstvo práce, ktorú musí tím vykonať v tienení, a znižuje náklady na certifikáciu vášho produktu. Pro Tip: Namiesto navrhovania nového napájacieho zdroja pre svoj projekt navrhnite projekt tak, aby bol kompatibilný s existujúcimi štandardnými napájacími zdrojmi. Ušetrí vám to náklady na certifikáciu napájacieho zdroja.
Udržujte súčasné slučky malé. Schopnosť vodiča spájať energiu indukciou a žiarením sa znižuje pomocou menšej slučky, ktorá slúži ako anténa
Pre páry stop na doske s plošnými spojmi z medi (PC) použite široké stopy (s nízkou impedanciou) zoradené nad a pod sebou.
Filtre umiestnite k zdroju rušenia, v zásade čo najbližšie k výkonovému modulu. Hodnoty komponentov filtra by sa mali vyberať s ohľadom na požadovaný frekvenčný rozsah útlmu. Napríklad kondenzátory samočinne rezonujú pri určitých frekvenciách, nad ktoré pôsobia indukčne. Vedenia obtokového kondenzátora udržiavajte čo najkratšie.
Umiestnite komponenty na DPS s ohľadom na blízkosť zdrojov hluku k potenciálne náchylným obvodom.
Pozícia oddelenia kondenzátory čo najbližšie k meničmi, najmä X a Y kondenzátorov.
Ak je to možné, použite pozemné roviny na minimalizáciu vyžarovaného spojenia, minimalizáciu prierezu citlivých uzlov a minimalizáciu prierezu vysokoprúdových uzlov, ktoré môžu vyžarovať, napríklad z kondenzátorov bežného režimu.
Zariadenia na povrchovú montáž (SMD) sú lepšie ako zariadenia s vývodmi pri zaobchádzaní s RF energiou kvôli zníženým dostupným indukčnostiam a bližšiemu umiestneniu komponentov.

Celkovo je dôležité mať v tíme počas procesu vývoja jednotlivcov s týmito skúsenosťami s dizajnom, pretože to pomáha šetriť náklady na certifikáciu a tiež zaisťuje stabilitu a spoľahlivosť vášho systému a jeho výkonu.