Elektromagnetisk interferens (emi) - typer, standarder og afskærmningsteknikker

Certificering er normalt et af de dyreste og kedeligste trin under udviklingen af et nyt hardwareprodukt. Det hjælper myndighederne med at vide, at produktet overholder alle de fastlagte love og retningslinjer omkring funktionerne. På denne måde kan ydelsen af det pågældende produkt sikres for at forhindre farer og skade for brugerne. Så kedeligt som dette trin normalt er, er det vigtigt for produktvirksomhederne at planlægge dette inden hånden for at annullere kompleksiteten i sidste øjeblik. I dagens artikel ser vi på EMI Design Standardhvilket er en meget almindelig praksis, som designere skal huske på for at udvikle kvalitetsprodukter. Vi vil se nærmere på EMI og undersøge dens typer, art, specifikationer og standarder, koblings- og afskærmningsmekanismer og bedste praksis til bestået EMI-test.

EMI-standarder - Hvordan startede det hele?

Den EMI (elektromagnetisk interferens) standard blev oprindeligt skabt til at beskytte elektroniske kredsløb fra elektromagnetisk interferens, der kan forhindre dem i at udføre den måde, de blev oprindeligt designet til at være. Disse forstyrrelser kan engang endda gøre enheden helt funktionsfejl, så den kan blive farlig for brugerne. Det blev først et problem i 1950'erne og var primært af interesse for militæret på grund af et par bemærkelsesværdige ulykker som følge af navigationssvigt på grund af elektromagnetisk interferens i navigationssystemer og radaremissioner, der førte til utilsigtet frigivelse af våben. Som sådan ønskede militæret at sikre, at systemer var kompatible med hinanden, og at den ene operation ikke påvirker den anden, da det kan føre til dødsfald i deres håndværk.

Bortset fra militære applikationer, for nylig fremskridt inden for medicin og sundhedsrelaterede løsninger som pacemakere og andre slags CIED'er, har også bidraget til behovet for EMI-regler, da interferens i enheder som denne kan føre til livstruende situationer.

Disse blandt andre scenarier er det, der fører til oprettelsen af EMI-interferensstandarden og med det store antal EMC-regulerende organer, der er oprettet.

Hvad er elektromagnetisk interferens (EMI)?

Elektromagnetisk interferens kan defineres som uønsket elektromagnetisk energi, der forstyrrer en elektronisk enheds funktion. Alle elektroniske enheder genererer en vis mængde elektromagnetisk stråling, da den strøm, der strømmer gennem dens kredsløb og ledninger, aldrig er helt indeholdt. Denne energi fra enhed "A", enten formeret gennem luften som elektromagnetisk stråling, eller koblet til (eller ledet langs) I / O eller kabler til en anden enhed "B", kan forstyrre driftsbalancen i enhed B, hvilket får enheden til at funktionsfejl nogle gange på en farlig måde. Denne energi fra enhed A, der forstyrrer funktion af enhed B, betegnes som elektromagnetisk interferens .

Forstyrrelsen kan engang endda komme fra en naturlig kilde som elektriske storme, men oftere end ikke er det normalt som et resultat af handlinger fra en anden enhed i umiddelbar nærhed. Mens alle elektroniske enheder genererer nogle EMI'er, er en bestemt klasse enheder som mobiltelefoner, især LED-skærme og motorer mere tilbøjelige til at generere interferens i forhold til andre. Da ingen enheder kan fungere i et isoleret miljø, er det vigtigt at sikre, at vores enheder overholder visse standarder for at sikre, at interferens holdes på det minimale minimum. Disse standarder og forskrifter er kendt som EMI-standarden, og ethvert produkt / udstyr, der skal bruges / sælges i regioner / lande, hvor disse standarder er lovlige, skal certificeres, før de kan bruges.

Typer af elektromagnetisk interferens (EMI)

Inden vi ser på standarden og reglerne, er det sandsynligvis vigtigt at undersøge typen af EMI'er for bedre at forstå den form for immunitet, der skal indbygges i dine produkter. Elektromagnetisk interferens kan kategoriseres i typer baseret på flere faktorer, herunder;

Kilde til EMI
EMI's varighed
EMI's båndbredde

Vi vil se på hver af disse kategorier efter hinanden.

1. Kilde til EMI

En måde at kategorisere EMI'er på typer er ved at undersøge kilden til interferensen, og hvordan den blev oprettet. Under denne kategori er der grundlæggende to typer EMI'er, naturligt forekommende EMI og menneskeskabte EMI. Den naturligt forekommende EMI henviser til elektromagnetiske interferenser, der opstår som et resultat af naturlige fænomener som belysning, elektriske storme og andre lignende begivenheder. Mens menneskeskabte EMI derimod henviser til EMI'er, der opstår som et resultat af aktiviteterne i andre elektroniske enheder i nærheden af enheden (modtageren), der oplever interferens. Eksempler på denne type EMI'er inkluderer radiofrekvensinterferens, EMI i lydudstyr blandt andre.

2. Varighed af interferens

EMI'er er også kategoriseret i typer baseret på interferensens varighed, dvs. det tidsrum, som interferensen blev oplevet for. Baseret på dette er EMI'er normalt grupperet i to typer, Kontinuerlig EMI og Impulse EMI. Den kontinuerlige EMI refererer til EMI'er, der kontinuerligt udsendes af en kilde. Kilden kan være menneskeskabt eller naturlig, men interferensen opleves kontinuerligt, så længe der findes en koblingsmekanisme (ledning eller stråling) mellem EMI-kilden og modtageren. Impulse EMIer EMI'er, der forekommer periodisk eller inden for en meget kort varighed. Ligesom de kontinuerlige EMI'er kunne Impulse EMI også være naturligt forekommende eller menneskeskabte. Eksempel inkluderer impulsstøj, der opleves fra afbrydere, belysning og lignende kilder, som kan udsende signaler, der forårsager en forstyrrelse i spænding eller strømbalance i tilsluttede nærliggende systemer.

3. Båndbredde af EMI

EMI'er kan også kategoriseres i typer ved hjælp af deres båndbredde. Båndbredden for en EMI refererer til frekvensområdet, hvor EMI opleves. Baseret på dette kan EMI'er kategoriseres i smalbånds EMI og bredbånd EMI. Den smalbånd EMI består typisk af en enkelt frekvens eller et smalbånd af interferensfrekvenser, eventuelt genereres af en form for oscillator eller som et resultat af falske signaler, der forekommer på grund af forskellige former for forvrængning i en sender. I de fleste tilfælde har de normalt en mindre effekt på kommunikation eller elektronisk udstyr og kan let indstilles. De forbliver dog en potent kilde til interferens og bør holdes inden for acceptable grænser. Den Bredbånd udstedere af elektroniske pengeer EMI'er, der ikke forekommer på enkelt / diskrete frekvenser. De optager en stor del af det magnetiske spektrum, findes i forskellige former og kan opstå fra forskellige menneskeskabte eller naturlige kilder. Typiske årsager inkluderer lysbue og korona, og det repræsenterer kilden til en god procentdel af EMI-problemer i digitalt dataudstyr. Et godt eksempel på en naturligt forekommende EMI-situation er "Solafbrydelse", som opstår som et resultat af energien fra solen, der forstyrrer signalet fra en kommunikationssatellit. Andre eksempler inkluderer; EMI som følge af defekte børster i motorer / generatorer, lysbuer i tændingssystemer, defekte kraftledninger og dårlige lysstofrør.

EMI's art

EMI'er som beskrevet tidligere er elektromagnetiske bølger, der består af både feltkomponenterne E (elektrisk) og H (magnetisk), der oscillerer vinkelret på hinanden som vist nedenfor. Hver af disse komponenter reagerer forskelligt på parametre som frekvens, spænding, afstand og strøm, derfor er det afgørende at forstå EMI's natur for at vide, hvilken af dem der er dominerende, før problemet klart kan løses.

For eksempel for elektriske feltkomponenter kan EMI-dæmpning forbedres via materialer med høj ledningsevne, men reduceres af materialer med øget permeabilitet, hvilket derimod forbedrer dæmpning for magnetfeltkomponenten. Som sådan vil øget permeabilitet i et system med E-feltdomineret EMI reducere dæmpning, men dæmpningen forbedres i et H-feltdomineret EMI. På grund af nylige fremskridt inden for teknologier, der anvendes til oprettelse af elektroniske komponenter, er E-feltet dog normalt den største komponent i interferensen.

EMI-koblingsmekanismer

EMI-koblingsmekanisme beskriver, hvordan EMI'erne kommer fra kilden til modtageren (berørte enheder). At forstå EMI's natur sammen med, hvordan den kobles fra kilden til modtageren, er nøglen til at løse problemet. Drevet af de to komponenter (H-felt og E-felt) er EMI'er koblet fra en kilde til en modtager via fire hovedtyper af EMI-kobling, de leder, stråling, kapacitiv kobling og induktiv kobling. Lad os se på koblingsmekanismerne efter hinanden.

1. Ledning

Ledningskobling opstår, når EMI-emissioner ledes langs ledere (ledninger og kabler), der forbinder kilden til EMI og modtageren. EMI koblet på denne måde er almindelig på strømforsyningsledningerne og normalt tung på H-feltkomponenten. Ledningskobling på kraftledninger kan enten være Common Mode-ledning (interferensen vises i fase på + ve og -ve-linjen eller tx- og rx-linjer) eller Differential Mode Conduction (interferensen ser ud af fase på to ledere). Den mest populære løsning på ledningskoblet interferens er brugen af filtre og skærm over kabler.

2. Stråling

Strålingskobling er den mest populære og almindeligt erfarne form for EMI-kobling. I modsætning til ledning involverer det ingen fysisk forbindelse mellem kilden og modtageren, da interferensen udsendes (udstråles) via rummet til modtageren. Et godt eksempel på udstrålet EMI er den tidligere nævnte solafbrydelse.

3. Kapacitiv kobling

Dette sker mellem to tilsluttede enheder. Kapacitiv kobling findes, når en skiftende spænding i kilden kapacitivt overfører en ladning til offeret

4. Induktiv / magnetisk kobling

Dette refererer til den slags EMI, der opstår som et resultat af en leder, der inducerer interferens i en anden leder i nærheden, baseret på principperne for elektromagnetisk induktion.

Elektromagnetisk interferens og kompatibilitet

EMI-standarden kan siges at være en del af den regulatoriske standard kaldet elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Den indeholder en liste over præstationsstandarder, som enheder skal opfylde for at vise, at de er i stand til at eksistere sammen med andre enheder og udføre som designet uden også at påvirke ydelsen på de andre enheder. Som sådan er EMI-standarder i det væsentlige en del af de generelle EMC-standarder. Mens navnene normalt bruges om hverandre, eksisterer der en klar forskel mellem dem, men dette vil blive dækket af en opfølgende artikel.

Forskellige lande og kontinenter / økonomiske zoner har forskellige variationer af disse standarder, men for denne artikel vil vi overveje Federal Communications Commission (FCC) standarder. I henhold til del 15 i afsnit 47: Telekommunikation i FCC-standarderne, der regulerer "utilsigtet" radiofrekvens, er der to klasser af enheder; Klasse A og B.

Klasse A-enheder er enheder, der er beregnet til brug i industrien, kontorer, overalt andet end hjem, mens CLass B-enheder er enheder beregnet til hjemmebrug, uanset dets anvendelse i andre miljøer.

Med hensyn til ledningskoblede emissioner forventes emissioner for klasse B-enheder beregnet til brug i hjemmet at være begrænset til værdierne vist i nedenstående tabel. Følgende oplysninger er hentet fra den elektroniske kode for webstedet om føderal regulering.

For klasse A-enheder er grænserne:

For udstrålede emissioner forventes det, at klasse A- enheder holder sig inden for nedenstående grænse for de specificerede frekvenser;

Frekvens (MHz)	µV / m
30 til 88	100
88 til 216	150
216 til 960	200
960 og derover	500

Mens for klasse B- enheder er grænserne;

Frekvens (MHz)	µV / m
30 til 88	90
88 til 216	150
216 til 960	210
960 og derover	300

Mere info om disse standarder kan findes på de forskellige regulerende organers side.

Overholdelse af disse EMC-standarder for enheder kræver EMI-beskyttelse på fire niveauer: det individuelle komponentniveau, kort / PCB-niveau, systemniveau og det samlede systemniveau. For at opnå dette er der to hovedforanstaltninger; Elektromagnetisk afskærmning og jordforbindelse anvendes normalt, selvom andre vigtige foranstaltninger som filtrering også anvendes. På grund af den indesluttede karakter af de fleste elektroniske enheder anvendes EMI-afskærmning normalt på systemniveau for at indeholde både udstrålede og ledede EMI'er for at sikre overholdelse af EMC-standarder. Som sådan vil vi se på praktiske overvejelser omkring afskærmning som et mål for EMI-beskyttelse.

Elektromagnetisk afskærmning - Beskyt dit design mod EMI

Afskærmning er en af de vigtigste foranstaltninger, der er vedtaget for at reducere EMI i elektroniske produkter. Det involverer brugen af en metallisk kabinet / skærm til elektronikken eller kablerne. I visse apparater / situationer, hvor afskærmning af hele produktet kan være for dyrt eller upraktisk, er de mest kritiske komponenter, der kan være en EMI-kilde / vask, afskærmet. Dette er især almindeligt i de fleste præcertificerede kommunikationsmoduler og chips.

Fysisk afskærmning reducerer EMI ved at dæmpe (svækkelse) EMI-signaler gennem refleksion og absorption af dens bølger. Metalliske skjolde er designet på en sådan måde, at den er i stand til at reflektere E-feltkomponent, mens den har en høj magnetisk permeabilitet for, at den kan absorbere H-feltkomponenten i EMI. I kabler er signaltrådene omgivet af et ydre ledende lag, der er jordforbundet i den ene eller begge ender, mens et ledende metalhus til indkapslinger fungerer som et interferensskærm.

Ideelt set ville det perfekte EMC-kabinet være et lavet af et tæt materiale som stål, fuldt forseglet på alle sider uden kabler, så ingen bølge bevæger sig ind eller ud, men flere overvejelser, som behovet for lave omkostninger ved kabinetter, varmestyring, Blandt andet vedligeholdelse, strøm og datakabler gør sådanne idealer upraktiske. Da hvert af hullerne er skabt, da disse behov er et potentielt ind- / udgangssted for EMI'er, er designere tvunget til at træffe flere foranstaltninger for at sikre, at enhedens samlede ydeevne stadig ligger inden for tilladte intervaller for EMC-standarden ved slutningen af dagen.

Afskærmning af praktiske overvejelser

Som nævnt ovenfor kræves der flere praktiske overvejelser ved afskærmning med kapslinger eller afskærmningskabler. For produkter med kritiske EMI-muligheder (sundhed, luftfart, magt, kommunikation, militær osv.) Er det vigtigt, at produktdesignteam består af personer med den relevante erfaring med afskærmning og generelle EMI-situationer. Dette afsnit giver et bredt overblik over nogle af de mulige tip eller EMI-afskærmning.

1. Skab og kabinet design

Som nævnt ovenfor er det umuligt at designe kabinetter uden visse åbninger til at fungere som ventilationsgitre, kabelhuller, døre og til ting som f.eks. Afbrydere. Disse åbninger på kabinetter, uanset deres størrelse eller form, gennem hvilke en EM-bølge kan komme ind eller ud af kabinettet, i EMI-termer, kaldes slots. Slots skal være udformet på en sådan måde, at deres længde og retning i forhold til RFI-frekvensen ikke drejer dem til en bølgeleder, mens deres størrelse og placering i tilfælde af ventilationsgitre skal opretholde en lige balance mellem den luftstrøm, der kræves for at opretholde termiske krav af kredsløbet og evnen til at styre EMI baseret på den krævede signaldæmpning og den involverede RFI-frekvens.

I kritiske applikationer som militært udstyr er slots som døre osv. Normalt snøret med specialiserede pakninger kaldet EMI-pakninger. De findes i forskellige typer, herunder strikket trådnet og metalliske spiralpakninger, men flere designfaktorer (normalt omkostninger / fordele) overvejes, inden valget af pakning foretages. Samlet set skal antallet af slots være så lidt som muligt, og størrelsen skal være så lille som muligt.

2. Kabler

Visse kabinetter kan være nødvendige for at have kabelåbninger; dette skal også tages med i kabinetdesignet. I

Bortset fra dette fungerer kabler også som et middel til ledede EMI'er som sådan i kritisk udstyr, kabler bruger et flettet skærm, som derefter jordes. Selv om denne tilgang er dyr, er den mere effektiv. I lave omkostningssituationer placeres dog hyldeløsninger som ferritperler på bestemte steder ved kanten af kablerne. På printkortniveau implementeres filtre også langs indgangsstrømledninger.

Bedste fremgangsmåder til at bestå EMI-tests

Nogle af EMI-designpraksis, især på tavleniveau, for at holde EMI i skak inkluderer;

Brug præcertificerede moduler. Især til kommunikation reducerer brugen af allerede certificerede moduler mængden af arbejde, teamet skal gøre med afskærmning, og reducerer omkostningerne ved certificering af dit produkt. Pro-tip: I stedet for at designe en ny strømforsyning til dit projekt, skal du designe projektet, så det er kompatibelt med eksisterende strømforsyninger. Dette sparer dig for at certificere strømforsyningen.
Hold nuværende sløjfer små. En lederes evne til at koble energi ved induktion og stråling sænkes med en mindre sløjfe, der fungerer som en antenne
For par af kobberprintede kredsløb (PC) kortspor skal du bruge brede (lave impedans) spor, der er justeret over og under hinanden.
Find filtre ved interferenskilden, dybest set så tæt på strømmodulet som muligt. Filterkomponentværdier skal vælges med det ønskede dæmpningsfrekvensområde i tankerne. Som et eksempel resonerer kondensatorer ved bestemte frekvenser, ud over hvilke de virker induktive. Hold bypass-kondensatorledningerne så korte som muligt.
Placer komponenter på printkortet under hensyntagen til nærhed af støjkilder til potentielt modtagelige kredsløb.
Placer afkoblingskondensatorer så tæt som muligt på konverteren, især X- og Y-kondensatorer.
Brug jordplan når det er muligt for at minimere udstrålet kobling, minimere tværsnitsarealet af følsomme knudepunkter og minimere tværsnitsarealet for højstrømsnoder, der kan udstråle, såsom dem fra almindelige tilstandskondensatorer
Overflademonterede enheder (SMD) er bedre end blyholdige enheder i forbindelse med RF-energi på grund af de reducerede induktanser og tættere komponentplaceringer.

Alt i alt er det vigtigt at have enkeltpersoner med disse designoplevelser i dit team under udviklingsprocessen, da det hjælper med at spare omkostninger ved certificering og også sikrer stabiliteten og pålideligheden af dit system og dets ydeevne.