Електромагнитни смущения (emi) - видове, стандарти и техники на екраниране

Сертифицирането обикновено е един от най-скъпите и досадни етапи по време на разработването на нов хардуерен продукт. Помага на властите да разберат, че продуктът спазва всички предвидени закони и насоки около функциите. По този начин ефективността на този конкретен продукт може да бъде гарантирана, за да се предотвратят опасности и да се навреди на потребителите. Колкото и да е досаден този етап, за продуктовите компании е важно да планират това предварително, за да отменят сложността в последния момент. За днешната статия ще разгледаме EMI Design Standardкоето е много често срещана практика, която дизайнерите трябва да имат предвид, за да разработят качествени продукти. Ще разгледаме EMI в детайли и ще разгледаме нейните типове, естеството, спецификациите и стандартите, механизмите за свързване и екраниране и най-добрите практики за преминаване на EMI тестове.

EMI стандарти - Как започна всичко?

Стандартът EMI (Електромагнитни смущения) първоначално е създаден, за да предпази електронните вериги от електромагнитни смущения, които могат да им попречат да изпълняват начина, по който първоначално са проектирани. Тези смущения понякога могат дори да направят устройството напълно неизправно, че да стане опасно за потребителите. За първи път това стана проблем през 50-те години и беше от първостепенно значение за военните поради няколко забележителни произшествия, възникнали в резултат на навигационни откази поради електромагнитни смущения в навигационните системи и радарни емисии, водещи до неволно освобождаване на оръжия. Като такива военните искаха да гарантират, че системите са съвместими една с друга и операциите на едната не засягат другата, тъй като това може да доведе до смъртни случаи в техния занаят.

Освен военните приложения, наскоро подобренията в решенията, свързани с медицината и здравето, като пейсмейкъри и други видове CIED, също допринесоха за необходимостта от регулации на EMI, тъй като намесата в устройства като това може да доведе до животозастрашаващи ситуации.

Тези наред с други сценарии са това, което води до установяването на стандарта за смущения EMI и до големия брой регулаторни органи на EMC, които са създадени.

Какво е електромагнитни смущения (EMI)?

Електромагнитните смущения могат да бъдат определени като нежелана електромагнитна енергия, която нарушава правилното функциониране на електронно устройство. Всички електронни устройства генерират известно количество електромагнитно излъчване, тъй като електричеството, протичащо през неговите вериги и проводници, никога не се съдържа напълно. Тази енергия от устройство „А“, или разпространена във въздуха като електромагнитно излъчване, или свързана (или проведена заедно) I / O или кабели на друго устройство „B“, може да наруши оперативния баланс в устройство B, причинявайки устройството да неизправност понякога по опасен начин. Тази енергия от устройство A, която пречи на работата на устройство B, се нарича електромагнитни смущения .

Понякога интерференцията може да е от естествен източник като електрически бури, но по-често обикновено е резултат от действията на друго устройство в непосредствена близост. Докато всички електронни устройства генерират някои EMI, определен клас устройства като мобилни телефони, LED дисплеи и двигатели, по-вероятно е да генерират смущения в сравнение с други. Тъй като нито едно устройство не може да работи в изолирана среда, важно е да се гарантира, че нашите устройства се придържат към определени стандарти, за да се гарантира, че смущенията са сведени до минимум. Тези стандарти и разпоредби са известни като EMI Standard и всеки продукт / устройство, което ще се използва / продава в региони / държави, където тези стандарти са законни, трябва да бъдат сертифицирани, преди да могат да бъдат използвани.

Видове електромагнитни смущения (EMI)

Преди да разгледаме стандарта и разпоредбите, вероятно е важно да проучим типа на EMI, за да разберем по-добре вида имунитет, който трябва да бъде вграден във вашите продукти. Електромагнитните смущения могат да бъдат категоризирани по видове въз основа на няколко фактора, включително;

Източник на EMI
Продължителност на EMI
Честотна лента на EMI

Ще разгледаме всяка от тези категории една след друга.

1. Източник на EMI

Един от начините за категоризиране на EMI по типове е чрез изследване на източника на намесата и как тя е създадена. В рамките на тази категория има основно два типа EMI, естествено възникващи EMI и създадени от човека EMI. Най- естествено срещащи се ЕПИ се отнася към електромагнитни смущения, които се случват в резултат на природно явление е като осветление, електрически бури, както и други подобни събития. Докато изкуственият EMI, от друга страна, се отнася до EMI, които се появяват в резултат на дейностите на други електронни устройства в близост до устройството (приемник), изпитващи смущения. Примери за този тип EMI включват, радиочестотни смущения, EMI в звуково оборудване, наред с други.

2. Продължителност на смущенията

EMI също се категоризират на типове въз основа на продължителността на смущението, т.е. периода от време, за който е възникнала смущението. Въз основа на това EMI обикновено се групират в два типа, Непрекъснат EMI и Импулсен EMI. В непрекъснат EMI отнася до ИЕП, които са непрекъснато излъчвани от източник. Източникът може да бъде създаден от човека или естествен, но смущенията се изпитват непрекъснато, докато съществува свързващ механизъм (проводимост или излъчване) между EMI източника и приемника. Импулсен EMIе EMI, които се появяват периодично или в рамките на много кратка продължителност. Подобно на непрекъснатите ЕМИ, Импулсният ЕМИ също може да бъде естествен или изкуствен. Примерът включва импулсен шум, изпитан от ключове, осветителни тела и подобни източници, които могат да излъчват сигнали, които причиняват смущения в напрежението или текущото равновесие на свързани близки системи.

3. Честотна лента на EMI

EMI също могат да бъдат категоризирани по типове, използвайки тяхната честотна лента. Широчината на честотната лента на EMI се отнася до диапазона от честоти, на които се изпитва EMI. Въз основа на това EMI могат да бъдат категоризирани в теснолентови EMI и широколентови EMI. В Теснолентово EMI обикновено се състои от една честота или теснолентова на смущения честоти, може да бъде генериран от форма на генератор или в резултат на фалшиви сигнали, възникнали в резултат на различни видове изкривяване в предавател. В повечето случаи те обикновено имат незначителен ефект върху комуникациите или електронното оборудване и могат лесно да бъдат настроени. Те обаче остават мощен източник на смущения и трябва да се поддържат в приемливи граници. В Broadband ЕМИСса EMI, които не се появяват на единични / дискретни честоти. Те заемат голяма част от магнитния спектър, съществуват под различни форми и могат да възникнат от различни изкуствени или природни източници. Типичните причини включват дъгата и короната и тя представлява източник на добър процент от EMI проблеми в оборудването за цифрови данни. Добър пример за естествена EMI ситуация е „Прекъсване на слънцето“, което се получава в резултат на енергията от слънцето, нарушаваща сигнала от комуникационен спътник. Други примери включват; EMI в резултат на дефектни четки в двигатели / генератори, искри в системи за запалване, дефектни електропроводи и лоши флуоресцентни лампи.

Същност на EMI

EMIs, както е описано по-рано, са електромагнитни вълни, които се състоят както от компонентите E (електрическо), така и от H (магнитно), осцилиращи под прав ъгъл един към друг, както е показано по-долу. Всеки от тези компоненти реагира по различен начин на параметри като честота, напрежение, разстояние и ток, следователно е от решаващо значение да се разбере естеството на EMI, да се знае кой от тях е доминиращ, преди проблемът да може да бъде решен ясно.

Например, за компонентите на електрическото поле, затихването на EMI може да се подобри чрез материали с висока проводимост, но намалено от материали с повишена пропускливост, което за разлика от това подобрява затихването за компонента на магнитното поле. Като такава, повишената пропускливост в система с ЕМ-поле, доминирано от EMI, ще намали затихването, но затихването ще се подобри в ЕМ-полето, доминирано от H-поле. Въпреки това, поради неотдавнашния напредък в технологиите, използвани при създаването на електронни компоненти, E-полето обикновено е основният компонент на смущенията.

Механизми за свързване на EMI

Механизмът за свързване на EMI описва как EMI преминават от източника към приемника (засегнати устройства). Разбирането на същността на EMI заедно с това как той е свързан от източника към приемника е от ключово значение за решаването на проблема. Захранвани от двата компонента (H-поле и E-поле), EMI се свързват от източник към приемник чрез четири основни типа EMI съединители, които провеждат, радиация, капацитивно свързване и индуктивно свързване. Нека да разгледаме съединителните механизми един след друг.

1. Провеждане

Проводимо свързване възниква, когато EMI емисиите се предават по проводници (проводници и кабели), свързващи източника на EMI и приемника заедно. EMI, свързан по този начин, е често срещан в захранващите линии и обикновено е тежък за компонента на H-полето. Свързване на проводимостта на електропроводи може да бъде или общ режим на провеждане (смущението се появява във фаза на + ve и -ve линия или tx и rx линии) или диференциално провеждане на режима (смущението се появява извън фазата на две проводници). Най-популярното решение за смущения, свързани с проводимост, е използването на филтри и екран над кабели.

2. Радиация

Радиационното свързване е най-популярната и често срещана форма на EMI свързване. За разлика от проводимостта, той не включва никаква физическа връзка между източника и приемника, тъй като смущенията се излъчват (излъчват) през пространството към приемника. Добър пример за излъчена EMI е прекъсването на слънцето, споменато по-рано.

3. Капацитивно съединение

Това се случва между две свързани устройства. Капацитивно свързване съществува, когато променящото се напрежение в източника капацитивно прехвърля заряд на жертвата

4. Индуктивно / магнитно свързване

Това се отнася до вида EMI, които се появяват в резултат на проводник, предизвикващ смущения в друг проводник в близост, базиран на принципите на електромагнитната индукция.

Електромагнитни смущения и съвместимост

За EMI стандарт може да се каже, че е част от регулаторния стандарт, наречен Електромагнитна съвместимост (EMC). Той съдържа списък на стандартите за производителност, на които устройствата трябва да отговарят, за да покажат, че те могат да съществуват съвместно с други устройства и да се представят така, както са проектирани, без това също да повлияе на производителността на другите устройства. Като такива EMI стандартите са по същество част от общите EMC стандарти. Въпреки че имената обикновено се използват взаимозаменяемо, между тях съществува ясна разлика, но това ще бъде разгледано в следваща статия.

Различните страни и континенти / икономически зони имат различни вариации на тези стандарти, но за тази статия ще разгледаме стандартите на Федералната комисия по комуникациите (FCC). Съгласно част 15 от дял 47: Телекомуникации, от стандартите на FCC, който регулира „неволната“ радиочестота, има два класа устройства; Клас А и Б.

Устройствата от клас А са устройства, които са предназначени за използване в промишлеността, офиси, навсякъде другаде, освен в домовете, докато устройствата от клас Б са устройства, предназначени за домашна употреба, независимо от използването му в други среди.

По отношение на емисиите, свързани с проводимост, за устройства от клас B, предназначени да се използват в дома, емисиите се очаква да бъдат ограничени до стойностите, показани в таблицата по-долу. Следната информация е получена от електронния кодекс на уебсайта на федералното регулиране.

За устройства от клас А ограниченията са;

За излъчваните емисии се очаква устройствата от клас А да останат в рамките на по-долу за посочените честоти;

Честота (MHz)	µV / m
30 до 88	100
88 до 216	150
216 до 960	200
960 и по-горе	500

Докато за устройства от клас B, ограниченията са;

Честота (MHz)	µV / m
30 до 88	90
88 до 216	150
216 до 960	210
960 и по-горе	300

Повече информация за тези стандарти можете да намерите на страницата на различните регулаторни органи.

Спазването на тези EMC стандарти за устройства изисква EMI защита на четири нива: ниво на отделни компоненти, ниво на платка / печатни платки, системно ниво и цялостно системно ниво. За да се постигне това, две основни мерки; Обикновено се използват електромагнитно екраниране и заземяване, въпреки че се използват и други важни мерки като филтриране. Поради затворения характер на повечето електронни устройства, EMI екранирането обикновено се прилага на системно ниво, за да съдържа както излъчени, така и Проведени EMI, за да се гарантира спазването на EMC стандартите. Като такива, ние ще разгледаме практически съображения около екранирането като мярка за EMI защита.

Електромагнитно екраниране - Защитете своя дизайн от EMI

Екранирането е една от основните мерки, приети за намаляване на EMI в електронните продукти. Включва използването на метален корпус / щит за електрониката или кабелите. В определени съоръжения / ситуации, при които екранирането на целия продукт може да е твърде скъпо или непрактично, най-критичните компоненти, които биха могли да бъдат EMI източник / мивка, са екранирани. Това е особено често при повечето предварително сертифицирани комуникационни модули и чипове.

Физическото екраниране намалява EMI чрез отслабване (отслабване) на EMI сигнали чрез отражението и поглъщането на неговите вълни. Металните екрани са проектирани по такъв начин, че той да е в състояние да отразява компонента на Е-полето, като същевременно притежава висока магнитна пропускливост, за да поглъща компонентата на H-полето на EMI. В кабелите сигналните проводници са заобиколени от външен проводящ слой, който е заземен в единия или двата края, докато за загражденията проводящ метален корпус действа като интерференционен щит.

В идеалния случай перфектният EMC корпус ще бъде такъв, направен от плътен материал като стомана, напълно запечатан от всички страни без кабели, така че вълната да не се движи навътре или навън, но има няколко съображения, като необходимостта, ниска цена на загражденията, управление на топлината кабелите за поддръжка, захранване и данни, наред с други, правят тези идеали непрактични. С всяка от създадените дупки, тъй като тези нужди са потенциални входно-изходни точки за EMI, дизайнерите са принудени да предприемат няколко мерки, за да гарантират, че цялостната производителност на устройството все още е в допустимите граници на стандарта EMC в края на деня.

Екраниране Практически съображения

Както бе споменато по-горе, при екраниране с корпуси или екраниращи кабели са необходими няколко практически съображения. За продукти с критични EMI възможности (здравеопазване, авиация, енергетика, комуникация, военни и т.н.) е важно екипите за продуктови дизайни да се състоят от лица със съответния опит в защитата и общите EMI ситуации. Този раздел ще даде общ преглед на някои от възможните съвети или EMI екраниране.

1. Дизайн на шкафа и кутията

Както бе споменато по-горе, невъзможно е да се проектират заграждения без определени отвори, които да служат като вентилационни решетки, отвори за кабели, врати и за неща като превключватели между другото. Тези отвори на загражденията, независимо от техния размер или форма, през които ЕМ вълна може да влезе или да излезе от заграждението, в термини EMI, се наричат слотове. Слотовете трябва да бъдат проектирани по такъв начин, че тяхната дължина и ориентация спрямо RFI Честотата да не ги превръщат във вълновод, докато размерът и разположението им в случай на вентилационни решетки трябва да поддържат правилен баланс между въздушния поток, необходим за поддържане на топлинните изисквания на веригата и възможността за управление на EMI въз основа на необходимото затихване на сигнала и включената честота RFI.

В критични приложения като военно оборудване, слотовете като врати и т.н. обикновено са завързани със специализирани уплътнения, наречени EMI уплътнения. Те се предлагат в различни видове, включително плетени телени мрежи и метални спирални уплътнения, но преди да се направи избор на уплътнение, се вземат предвид няколко конструктивни фактора (обикновено разходи / ползи). Като цяло броят на слотовете трябва да бъде възможно най-малък, а размерът - възможно най-малък.

2. Кабели

Може да се наложи някои заграждения да имат кабелни отвори; това също трябва да се вземе предвид при дизайна на заграждението. В

Освен това, кабелите също служат като средство за провеждане на EMI като такива в критично оборудване, кабелите използват плетен щит, който след това се заземява. Въпреки че този подход е скъп, той е по-ефективен. Въпреки това, в ситуации с ниска цена, решенията от рафта като феритни перли се поставят на определени места в края на кабелите. На ниво платка на печатни платки, филтрите се прилагат и по входящите електропроводи.

Най-добри практики за преминаване на EMI тестове

Някои от практиките за проектиране на EMI, особено на ниво дъска, за да се контролира EMI, включват;

Използвайте предварително сертифицирани модули. Особено за комуникация, използването на вече сертифицирани модули намалява обема на работата, която екипът трябва да свърши в екранирането, и намалява разходите за сертифициране на вашия продукт. Професионален съвет: Вместо да проектирате ново захранване за вашия проект, проектирайте проекта да бъде съвместим със съществуващите захранвания извън рафта. Това ви спестява разходи при удостоверяване на захранването.
Дръжте текущите цикли малки. Способността на проводника да свързва енергия чрез индукция и излъчване се понижава с по-малък контур, който действа като антена
За двойки следи от печатни платки от мед (PC) използвайте широки (нисък импеданс) следи, подравнени една над друга.
Намерете филтри при източника на смущения, основно възможно най-близо до захранващия модул. Стойностите на компонентите на филтъра трябва да бъдат избрани, като се има предвид желаният честотен диапазон на затихване. Като пример кондензаторите се саморезонират при определени честоти, извън които действат индуктивно. Дръжте байпасните кондензаторни проводници възможно най-къси.
Поставете компонентите върху печатната платка, като се вземе предвид близостта на източниците на шум до потенциално податливи вериги.
Разположете разделителните кондензатори възможно най-близо до преобразувателя, особено X и Y кондензатори.
Използвайте земни равнини, когато е възможно, за да сведете до минимум излъченото свързване, да намалите площта на напречното сечение на чувствителните възли и да намалите до минимум площта на напречното сечение на възлите с висок ток, които могат да излъчват, като тези от кондензатори с общ режим
Устройствата за повърхностно монтиране (SMD) са по-добри от оловните устройства при работа с радиочестотна енергия поради намалената индуктивност и по-близките разположения на компонентите.

Като цяло е важно да разполагате с екип от хора с този опит в дизайна по време на процеса на разработка, тъй като това помага да се спестят разходи за сертифициране и също така гарантира стабилността и надеждността на вашата система и нейните характеристики.