Електромагнітні перешкоди (emi) - типи, стандарти та техніки екранування

Сертифікація, як правило, є одним із найдорожчих та найнудливіших етапів розробки нового апаратного продукту. Це допомагає владі знати, що виріб дотримується всіх встановлених законів та керівних принципів щодо функцій. Таким чином можна забезпечити ефективність роботи конкретного продукту, щоб запобігти небезпеці та шкоді для його користувачів. Як би це не було втомливо на цьому етапі, для продуктових компаній важливо планувати це заздалегідь, щоб скасувати складні ситуації в останню хвилину. Сьогодні в статті ми розглянемо EMI Design Standardщо є дуже поширеною практикою, яку дизайнери повинні пам’ятати, щоб розробляти якісну продукцію. Ми детально розглянемо EMI та вивчимо його типи, природу, технічні характеристики та стандарти, механізми зчеплення та екранування та найкращі практики для проходження тестів EMI.

Стандарти EMI - з чого все почалося?

Стандарт EMI (Електромагнітні перешкоди) спочатку був створений для захисту електронних схем від електромагнітних перешкод, які можуть перешкодити їм працювати так, як вони були спочатку розроблені. Ці перешкоди можуть часом навіть призвести до повного збою роботи пристрою, що може стати небезпечним для користувачів. Вперше це викликало занепокоєння в 1950-х роках і, перш за все, цікавило військові через кілька помітних аварій, що виникли внаслідок відмов навігації через електромагнітні перешкоди в навігаційних системах, та радіолокаційних викидів, що призвели до ненавмисного випуску зброї. Таким чином, військові хотіли забезпечити сумісність систем між собою, і операції однієї з них не впливають на інші, оскільки це може призвести до летальних наслідків у їх ремеслі.

Окрім військових застосувань, нещодавно досягнення в галузі медицини та охорони здоров’я, таких як кардіостимулятори та інші види CIED, також сприяли необхідності регулювання EMI, оскільки втручання в подібні пристрої може призвести до ситуацій, що загрожують життю.

Це серед інших сценаріїв те, що призвело до встановлення стандарту втручання EMI та великої кількості створених регуляторних органів EMC.

Що таке електромагнітні перешкоди (ЕМІ)?

Електромагнітні перешкоди можна визначити як небажану електромагнітну енергію, яка порушує нормальну роботу електронного пристрою. Всі електронні пристрої генерують деяку кількість електромагнітного випромінювання, оскільки електрика, що протікає через його ланцюги та дроти, ніколи не утримується повністю. Ця енергія від пристрою "А", яка поширюється по повітрю у вигляді електромагнітного випромінювання, або з'єднується (або проводиться вздовж) вводу-виводу або кабелів іншого пристрою "В", може порушити робочий баланс у пристрої В, що призведе до несправність іноді небезпечним чином. Ця енергія від пристрою A, яка перешкоджає роботі пристрою B, називається електромагнітними перешкодами .

Інтерференція іноді може бути навіть від природного джерела, такого як електричні бурі, але частіше за все це, як правило, є результатом дії іншого пристрою в безпосередній близькості. Хоча всі електронні пристрої генерують деякі ЕМІ, певний клас пристроїв, таких як мобільні телефони, світлодіодні дисплеї та двигуни, з більшою ймовірністю створюють перешкоди порівняно з іншими. Оскільки жоден пристрій не може працювати в ізольованому середовищі, важливо забезпечити, щоб наші пристрої дотримувались певних стандартів, щоб перешкоди були мінімальними. Ці стандарти та норми відомі як стандарт EMI, і кожен продукт / пристрій, який буде використовуватися / продаватися в регіонах / країнах, де ці стандарти є законодавчими, повинен бути сертифікований перед тим, як їх можна використовувати.

Типи електромагнітних перешкод (ЕМІ)

Перш ніж ми розглянемо стандарт та правила, напевно, важливо вивчити тип EMI, щоб краще зрозуміти, який тип імунітету слід вбудовувати у ваші продукти. Електромагнітні перешкоди можна розділити на типи на основі кількох факторів, включаючи;

1. Джерело EMI
2. Тривалість ЕМІ
3. Пропускна здатність EMI

Ми розглянемо кожну з цих категорій одну за одною.

1. Джерело EMI

Одним із способів класифікації EMI за типами є дослідження джерела перешкод та способу їх створення. Під цією категорією в основному розрізняють два типи ЕМІ, природні ЕМІ та штучні ЕМІ. Природне походження EMI відноситься до електромагнітних завад, які виникають в результаті природного явища як освітлення, електричні бурі і інших подібних явища. Хоча штучний ЕМІ, з іншого боку, відноситься до ЕМІ, які виникають внаслідок діяльності інших електронних пристроїв поблизу пристрою (приймача), що зазнають перешкод. Прикладом таких типів EMI є, серед інших, радіочастотні перешкоди, EMI в звуковому обладнанні.

2. Тривалість перешкод

EMI також класифікуються на типи на основі тривалості перешкод, тобто періоду часу, протягом якого перешкода зазнала. Виходячи з цього, ЕМІ зазвичай групують у два типи: Безперервний ЕМІ та Імпульсний ЕМІ. Безперервні електромагнітні перешкоди відносяться до EMIs, які безперервно що випускається джерелом. Джерело може бути техногенним або природним, але перешкоди відчуваються постійно, доки існує механізм зв'язку (провідність або випромінювання) між джерелом ЕМІ та приймачем. Імпульсний ЕМІце ЕМІ, які виникають з перервами або протягом дуже короткої тривалості. Як і постійні ЕМІ, Імпульсний ЕМІ також може бути природним або штучним. Приклад включає імпульсний шум від вимикачів, освітлювальних приладів та подібних джерел, які можуть випромінювати сигнали, що спричиняють порушення рівноваги напруги або струму підключених сусідніх систем.

3. Пропускна здатність EMI

EMI також можна класифікувати за типами, використовуючи їх пропускну здатність. Ширина смуги пропускання ЕМІ відноситься до діапазону частот, на яких перебуває ЕМІ. Виходячи з цього, EMI можна класифікувати на вузькосмугові EMI та широкосмугові EMI. Узкополосная ЕЙ, як правило, складається з однієї частоти або вузькосмугових частот перешкод, можливо, генеруються з допомогою генератора форми або в результаті паразитних сигналів, що виникають з - за різні види спотворень в передавачі. У більшості випадків вони, як правило, незначно впливають на комунікації чи електронне обладнання, і їх легко відключити. Однак вони залишаються потужним джерелом перешкод і повинні утримуватися в допустимих межах. Broadband EMIs- це ЕМІ, які не виникають на одинарних / дискретних частотах. Вони займають значну частину магнітного спектра, існують у різних формах і можуть виникати з різних техногенних або природних джерел. Типові причини включають дугу та корону, і це є джерелом значного відсотка проблем EMI у цифровому обладнанні даних. Хорошим прикладом природної ситуації ЕМІ є "Вихід сонця", який відбувається внаслідок того, що енергія сонця порушує сигнал із супутника зв'язку. Інші приклади включають; ЕМІ внаслідок несправних щіток в двигунах / генераторах, дуги в системах запалювання, несправних ліній електропередач і поганих люмінесцентних ламп.

Природа ЕМІ

Як описано раніше, електромагнітні хвилі - це електромагнітні хвилі, які складаються як з Е (електричного), так і з Н (магнітного) компонентів поля, коливаються під прямим кутом один до одного, як показано нижче. Кожен із цих компонентів по-різному реагує на такі параметри, як частота, напруга, відстань та струм, отже, важливо зрозуміти природу ЕМІ, щоб знати, який з них є домінуючим, перш ніж проблему можна буде чітко вирішити.

Наприклад, для компонентів електричного поля ослаблення ЕМІ можна покращити за допомогою матеріалів з високою провідністю, але зменшити за рахунок матеріалів з підвищеною проникністю, що, на відміну від покращує ослаблення для компонента магнітного поля. Таким чином, підвищена проникність в системі з ЕМІ, де домінує Е-поле, зменшить загасання, але послаблення покращиться в ЕМІ, де домінує Н-поле. Однак, завдяки недавньому вдосконаленню технологій, що використовуються у створенні електронних компонентів, E-поле, як правило, є основною складовою перешкод.

Механізми сполучення ЕМІ

Механізм з'єднання EMI описує, як ЕМІ надходять від джерела до приймача (уражені пристрої). Розуміння природи ЕМІ разом з тим, як вона пов'язана від джерела до приймача, є ключовим фактором для вирішення проблеми. Електромагнітні поля, що працюють від двох компонентів (H-поля та E-поля), з'єднуються від джерела до приймача за допомогою чотирьох основних типів EMI-муфти, що їх проводять, випромінюють, ємнісні та індуктивні. Давайте подивимося на механізми зчеплення один за одним.

1. Проведення

Провідна муфта виникає, коли випромінювання ЕМ пропускається вздовж провідників (проводів та кабелів), що з'єднують джерело ЕМІ та приймач разом. ЕМІ, зв'язані таким чином, є загальним для ліній електроживлення і зазвичай важким для компонента H-поля. Муфта провідності на лініях електропередач може бути або провідністю загального режиму (перешкоди виникають фазово на лінії + ve та -ve або лініях tx і rx) або диференціальною провідністю (перешкоди виявляються поза фазою на двох провідниках). Найпопулярнішим рішенням перешкод, пов'язаних з провідністю, є використання фільтрів та екрану над кабелями.

2. Випромінювання

Радіаційна муфта є найпопулярнішою та найбільш досвідченою формою ЕМІ муфти. На відміну від провідності, він не передбачає жодного фізичного зв'язку між джерелом та приймачем, оскільки перешкоди випромінюються (випромінюються) через простір до приймача. Хорошим прикладом випромінюваного електромагнітного поля є згадане раніше відключення сонця.

3. Ємнісна муфта

Це відбувається між двома підключеними пристроями. Ємнісне зчеплення існує, коли змінюється напруга у джерелі ємнісно передає заряд жертві

4. Індуктивна / магнітна муфта

Це стосується виду ЕМІ, які виникають в результаті провідника, що індукує перешкоди в іншому провіднику, близькому за принципом електромагнітної індукції.

Електромагнітні перешкоди та сумісність

Можна сказати, що стандарт EMI є частиною нормативного стандарту, який називається Електромагнітна сумісність (EMC). Він містить перелік стандартів продуктивності, яким повинні відповідати пристрої, щоб показати, що вони здатні співіснувати з іншими пристроями та працювати так, як спроектовано, не впливаючи також на продуктивність інших пристроїв. Як такі стандарти EMI є по суті частиною загальних стандартів EMC. Хоча імена зазвичай використовуються як взаємозамінні, між ними існує чітка різниця, але це буде розглянуто в наступній статті.

Різні країни та континенти / економічні зони мають різні варіації цих стандартів, але для цієї статті ми розглянемо стандарти Федеральної комісії зв’язку (FCC). Відповідно до частини 15 Розділу 47: Телекомунікації, Стандартів FCC, яка регулює “ненавмисну” радіочастоту, існує два класи пристроїв; Клас A і B.

Пристрої класу А - це пристрої, призначені для використання в промисловості, офісах, скрізь, крім будинків, тоді як пристрої класу В - це пристрої, призначені для домашнього використання, незважаючи на використання в інших середовищах.

Що стосується випромінювань, пов'язаних з провідністю, для пристроїв класу В, призначених для використання в побуті, викиди, як очікується, будуть обмежені значеннями, наведеними в таблиці нижче. Наступна інформація отримана на веб-сайті Електронного кодексу федерального регулювання.

Для пристроїв класу А обмеження:

Що стосується випромінюваних випромінювань, очікується, що пристрої класу А залишатимуться в межах, нижчих для зазначених частот;

Частота (МГц)	мкВ / м
Від 30 до 88	100
Від 88 до 216	150
Від 216 до 960	200
960 і вище	500

У той час як для пристроїв класу В обмеження є;

Частота (МГц)	мкВ / м
Від 30 до 88	90
Від 88 до 216	150
Від 216 до 960	210
960 і вище	300

Більше інформації про ці стандарти можна знайти на сторінці різних регулюючих органів.

Для дотримання цих стандартів ЕМС для пристроїв потрібен захист від ЕМВ на чотирьох рівнях: рівень окремих компонентів, рівень плати / друкованої плати, системний рівень і загальний системний рівень. Щоб досягти цього, два основні заходи; Зазвичай застосовують електромагнітне екранування та заземлення, хоча застосовуються й інші важливі заходи, такі як фільтрація. Через закриту природу більшості електронних пристроїв екранування ЕМІ зазвичай застосовується на системному рівні, щоб містити як випромінювані, так і Провідні ЕМІ, щоб забезпечити відповідність стандартам ЕМС. Таким чином, ми розглянемо практичні міркування щодо екранування як міри захисту від електромагнітних полів.

Електромагнітне екранування - захистіть свій дизайн від електромагнітних пошкоджень

Екранування є одним з основних заходів, що приймаються для зменшення ЕМІ в електронних продуктах. Він передбачає використання металевого корпусу / екрану для електроніки або кабелів. У певному обладнанні / ситуаціях, коли екранування всього виробу може бути занадто дорогим або непрактичним, найбільш критичні компоненти, які можуть бути джерелом / раковиною ЕМІ, захищаються. Це особливо характерно для більшості попередньо сертифікованих комунікаційних модулів та мікросхем.

Фізичне екранування зменшує ЕМІ, послаблюючи (послаблюючи) ЕМІ-сигнали через відбиття та поглинання його хвиль. Металеві екрани сконструйовані таким чином, що вони здатні відбивати компонент Е-поля, маючи при цьому високу магнітну проникність для того, щоб він поглинав компонент Е-поля ЕМІ. У кабелях сигнальні дроти оточені зовнішнім провідним шаром, заземленим на одному або обох кінцях, тоді як для корпусів провідний металевий корпус виконує роль перешкоди.

В ідеалі, ідеальним корпусом з електромагнітною сумішшю буде корпус, виготовлений з щільного матеріалу, такого як сталь, повністю герметичний з усіх боків без кабелів, тому хвиля не надходить і не виходить, але є кілька міркувань, таких як необхідність, низька вартість корпусів, управління теплом, обслуговування кабелів живлення та передачі даних, серед інших, роблять такі ідеали недоцільними. Оскільки кожен із створених отворів, оскільки ці потреби є потенційними точками входу / виходу для EMI, дизайнери змушені вжити декількох заходів, щоб забезпечити загальну продуктивність пристрою в межах допустимих діапазонів стандарту EMC наприкінці дня.

Екранування Практичні міркування

Як зазначалося вище, при екрануванні корпусами або екрануючими кабелями потрібно кілька практичних міркувань. Для виробів з критичними можливостями електромагнітних перешкод (охорона здоров’я, авіація, енергетика, зв’язок, військова справа тощо) важливо, щоб команди розробників продуктів складалися з осіб, що мають відповідний досвід щодо екранування та загальних ситуацій щодо ЕМІ. Цей розділ дасть широкий огляд деяких можливих підказок або екранування ЕМІ.

1. Дизайн шафи та корпусу

Як вже згадувалося вище, неможливо спроектувати корпуси без певних отворів, які могли б служити вентиляційними решітками, отворами для кабелів, дверей та інших речей, таких як вимикачі. Ці отвори на корпусах, незалежно від їх розміру або форми, через які хвиля ЕМ може входити або виходити з корпусу, термінами ЕМІ називаються прорізами. Слоти повинні бути спроектовані таким чином, щоб їх довжина та орієнтація щодо частоти RFI не перетворювали їх на хвилевід, тоді як їх розмір та розташування у разі вентиляційних решіток повинні підтримувати правильний баланс між потоком повітря, необхідним для підтримання теплових вимог схемотехніки та можливість керувати EMI на основі необхідного ослаблення сигналу та задіяної частоти RFI.

У таких критичних програмах, як військова техніка, прорізи, такі як двері тощо, зазвичай прошиваються спеціалізованими прокладками, які називаються прокладками EMI. Вони бувають різних типів, включаючи в’язану дротяну сітку та металеві спіральні прокладки, але перед вибором прокладок враховуються кілька конструктивних факторів (як правило, вартість / переваги). Загалом, кількість слотів повинна бути якомога меншою, а розмір - якомога меншим.

2. Кабелі

Для певних корпусів можуть знадобитися кабельні отвори; це також повинно враховуватися в конструкції корпусу. В

Крім цього, кабелі також служать засобом проведення електромагнітних поглинань як такі в критичному обладнанні, кабелі використовують плетений екран, який потім заземлюють. Хоча такий підхід дорогий, він є більш ефективним. Однак у ситуаціях з низькою вартістю такі розчини, як феритові кульки, розміщуються у певних місцях на краю кабелів. На рівні друкованої плати фільтри також реалізовані вздовж ліній електропередач.

Найкращі практики для проходження тестів EMI

Деякі з методів проектування EMI, особливо на рівні плати, для контролю EMI включають;

1. Використовуйте попередньо сертифіковані модулі. Особливо для спілкування, використання вже сертифікованих модулів зменшує обсяг роботи, яку команда повинна виконати в екрануванні, та зменшує вартість сертифікації для вашого продукту. Порада професіонала: Замість того, щоб розробляти нове джерело живлення для свого проекту, спроектуйте проект, щоб він був сумісним із наявними поза полицями джерелами живлення. Це економить ваші витрати на сертифікацію джерела живлення.
2. Зберігайте поточні петлі малими. Здатність провідника сполучати енергію за допомогою індукції та випромінювання знижується за допомогою меншої петлі, яка виконує роль антени
3. Для пар слідів на мідній друкованій платі (ПК) використовуйте широкі (з низьким опором) сліди, вирівняні один над одним і нижче.
4. Розташуйте фільтри біля джерела перешкод, в основному якомога ближче до силового модуля. Значення компонентів фільтра слід вибирати з урахуванням бажаного діапазону затухання. Як приклад, конденсатори самостійно резонують на певних частотах, за межами яких вони діють індуктивно. Тримайте обвід конденсатора якомога коротшим.
5. Розміщуйте компоненти на друкованій платі з урахуванням близькості джерел шуму до потенційно сприйнятливих ланцюгів.
6. Розташуйте роз'єднувальні конденсатори якомога ближче до перетворювача, особливо конденсатори X та Y.
7. По можливості використовуйте площини заземлення, щоб мінімізувати випромінюване зчеплення, мінімізувати площу поперечного перерізу чутливих вузлів та мінімізувати площу поперечного перерізу сильних струмових вузлів, які можуть випромінювати, наприклад, із конденсаторів загального режиму.
8. Пристрої для поверхневого монтажу (SMD) краще, ніж провідні пристрої для роботи з радіочастотною енергією, через зменшену індуктивність та більш близьке розміщення компонентів.

Загалом, важливо мати у своїй команді людей, які мають такий досвід проектування, під час процесу розробки, оскільки це допомагає економити витрати на сертифікацію, а також забезпечує стабільність та надійність вашої системи та її продуктивності.