Elektromágneses interferencia (emi) - típusok, szabványok és árnyékolási technikák

A tanúsítás általában az egyik legdrágább és unalmasabb szakasz egy új hardvertermék fejlesztése során. Segít a hatóságoknak abban, hogy tudják, hogy a termék betartja a funkciókra vonatkozó összes törvényt és irányelvet. Így az adott termék teljesítménye biztosítható a veszélyek és a felhasználóinak okozott károk megelőzése érdekében. Bármennyire is unalmas ez a szakasz, fontos, hogy a termékcégek ezt előre megtervezzék, hogy semmissé tegyék a last minute bonyodalmakat. A mai cikkünkben az EMI Design Standard-ot vesszük szemügyreami nagyon gyakori gyakorlat, amelyet a tervezőknek szem előtt kell tartaniuk, hogy minőségi termékeket fejlesszenek ki. Részletesen megvizsgáljuk az EMI-t, és megvizsgáljuk annak típusait, jellegét, specifikációit és szabványait, összekapcsolási és árnyékolási mechanizmusait, valamint az EMI-tesztek sikeres átadásának legjobb gyakorlatait.

EMI szabványok - Hogyan kezdődött minden?

Az EMI (elektromágneses interferencia) szabványt eredetileg azért hozták létre, hogy megvédje az elektronikus áramköröket az elektromágneses interferenciától, ami megakadályozhatja őket abban, hogy az eredetileg tervezett módon teljesítsenek. Ezek a beavatkozások valamikor akár teljesen meghibásíthatják az eszközt, amely veszélyes lehet a felhasználók számára. Először az 1950-es években vált aggodalomra, és elsősorban a katonaság számára érdekes volt néhány figyelemre méltó baleset miatt, amely a navigációs rendszerek elektromágneses interferenciája következtében bekövetkezett navigációs hibákból származott, valamint a radar-kibocsátásokból, amelyek a fegyverek véletlenszerű szabadon engedéséhez vezettek. Mint ilyen, a katonaság azt akarta biztosítani, hogy a rendszerek kompatibilisek legyenek egymással, és egyikük műveletei nem befolyásolják a másikat, mivel ez halálos kimenetelűvé teheti mesterségüket.

A katonai alkalmazások mellett az orvostudomány és az egészségüggyel kapcsolatos megoldások, például a szívritmus-szabályozók és más típusú CIED-ek nemrégiben elért haladásai szintén hozzájárultak az EMI-előírások szükségességéhez, mivel az ilyen eszközökbe való beavatkozás életveszélyes helyzeteket okozhat.

Ezek a többi forgatókönyv mellett vezetnek az EMI interferencia-szabvány létrehozásához és a létrehozott EMC-szabályozó testületek nagy számához.

Mi az elektromágneses interferencia (EMI)?

Az elektromágneses interferencia nem kívánt elektromágneses energiaként határozható meg , amely megzavarja az elektronikus eszközök megfelelő működését. Valamennyi elektronikus eszköz bizonyos mértékű elektromágneses sugárzást generál, mivel az áramkörein és vezetékein átáramló villamos energia soha nem záródik le teljesen. Ez az „A” készülék energiája, amely vagy elektromágneses sugárzásként terjed a levegőben, vagy pedig egy másik „B” eszköz I / O-jába vagy kábelébe van kapcsolva (vagy végigvezetve), megzavarhatja a B eszköz működési egyensúlyát, ami az eszközt hibás működés néha veszélyes módon. Ezt az A készülék energiáját, amely zavarja a B eszköz működését, elektromágneses interferenciának nevezzük .

Az interferencia valamikor akár természetes forrásból is származhat, mint például az elektromos viharok, de gyakran előfordul, hogy általában egy másik eszköz közvetlen közelsége miatt jön létre. Míg minden elektronikus eszköz generál néhány EMI-t, a készülékek egy bizonyos osztálya, például a mobiltelefonok, a LED-kijelzők és a motorok, nagyobb valószínűséggel okoznak interferenciát másokhoz képest. Mivel egyetlen eszköz sem működhet elszigetelt környezetben, fontos biztosítani, hogy eszközeink betartsanak bizonyos szabványokat, hogy az interferencia a lehető legkisebb legyen. Ezeket a szabványokat és előírásokat EMI szabványnak nevezik, és minden olyan terméket / eszközt, amelyet azokban a régiókban / országokban használnak / értékesítenek, ahol ezek a szabványok törvények érvényesek, használatuk előtt hitelesíteni kell.

Az elektromágneses interferencia (EMI) típusai

Mielőtt áttekintenénk a szabványt és az előírásokat, valószínűleg fontos megvizsgálni az EMI típusait, hogy jobban megértsük, milyen immunitást kell beépíteni a termékeibe. Az elektromágneses interferencia típusokba sorolható számos tényező alapján:

Az EMI forrása
Az EMI időtartama
Az EMI sávszélessége

Ezeket a kategóriákat egymás után fogjuk megvizsgálni.

1. Az EMI forrása

Az EMI-k típusokba sorolásának egyik módja az interferencia forrásának és létrehozásának megvizsgálása. Ebben a kategóriában alapvetően kétféle EMI létezik, a természetesen előforduló EMI és az ember által létrehozott EMI. A természetesen előforduló EMI olyan elektromágneses interferenciákra utal, amelyek természetes jelenségek, például világítás, elektromos viharok és más hasonló események következtében jelentkeznek. Míg az ember által létrehozott EMI másrészt az EMI -kre utal, amelyek más, az eszköz (vevő) közelében lévő, interferenciát tapasztaló elektronikus eszközök tevékenységének eredményeként jelentkeznek. Ilyen típusú EMI-k például a rádiófrekvenciás interferencia, a hangberendezések EMI-je.

2. Az interferencia időtartama

Az EMI-ket szintén típusokba sorolják az interferencia időtartama, azaz az az időtartam alapján, amely alatt az interferenciát tapasztalták. Ennek alapján az EMI-ket általában két típusba sorolják: folyamatos EMI és impulzus EMI. A folyamatos EMI azokra az EMI- kre vonatkozik, amelyeket folyamatosan sugároz egy forrás. A forrás lehet mesterséges vagy természetes, de az interferencia folyamatosan tapasztalható, mindaddig, amíg az EMI forrás és a vevő között összekapcsolási mechanizmus (vezetés vagy sugárzás) létezik. Impulzus EMIaz EMI-k, amelyek időszakosan vagy nagyon rövid időn belül jelentkeznek. A folyamatos EMI-khez hasonlóan az Impulse EMI is előfordulhat természetes úton vagy ember által létrehozott. A példa magában foglalja a kapcsolók, világítások és hasonló források által tapasztalt impulzuszajt, amely olyan jeleket bocsáthat ki, amelyek megzavarják a csatlakoztatott közeli rendszerek feszültségét vagy áram-egyensúlyát.

3. Az EMI sávszélessége

Az EMI-k sávszélességük alapján típusokba is sorolhatók. Az EMI sávszélessége arra a frekvenciatartományra vonatkozik, amelyen az EMI tapasztalható. Ennek alapján az EMI-k a keskeny sávú és a szélessávú EMI kategóriába sorolhatók. A keskeny sávú EMI jellemzően egyetlen frekvenciából vagy keskeny interferencia frekvenciákból áll, amelyeket esetleg egy oszcillátor formája generál, vagy az adó különböző torzulásai miatt bekövetkező hamis jelek eredményeként. A legtöbb esetben általában kisebb hatással vannak a kommunikációra vagy az elektronikus berendezésekre, és könnyedén hangolhatók. Ezek azonban továbbra is hatékony interferencia-források maradnak, és elfogadható határok között kell tartani őket. A szélessávú EMI-kolyan EMI-k, amelyek nem egyetlen / diszkrét frekvenciákon fordulnak elő. A mágneses spektrum nagy részét elfoglalják, különböző formában léteznek, és különböző ember által létrehozott vagy természetes forrásokból származhatnak. A tipikus okok közé tartozik az ív és a korona, és ez jelenti a digitális adatberendezések EMI-problémáinak nagy százalékát. Jó példa a természetben előforduló EMI-helyzetre a „Sun Outage”, amely annak következtében következik be, hogy a nap energiája megzavarja a kommunikációs műhold jelét. További példák: Az EMI a motorokban / generátorokban meghibásodott kefék, a gyújtási rendszerek ívének, hibás áramvezetékek és rossz fénycsövek következtében.

Az EMI jellege

A korábban leírt EMI-k olyan elektromágneses hullámok, amelyek mind az E (elektromos), mind a H (mágneses) mezőkomponenseket tartalmazzák, egymással derékszögben oszcillálnak az alábbiak szerint. E komponensek mindegyike eltérően reagál az olyan paraméterekre, mint a frekvencia, feszültség, távolság és áram, ezért kritikus fontosságú megérteni az EMI természetét, tudni, hogy melyik domináns, mielőtt a probléma egyértelműen megoldható lenne.

Például az elektromos mező alkatrészei esetében az EMI csillapítás javítható nagy vezetőképességű anyagokkal, de csökkenthető a megnövekedett permeabilitású anyagokkal, ami ezzel szemben javítja a mágneses mező komponens csillapítását. Mint ilyen, az E-mezőben domináló EMI-vel rendelkező rendszer megnövekedett permeabilitása csökkenti a csillapítást, de a H-mező által dominált EMI-ben a csillapítás javulni fog. Az elektronikus alkatrészek létrehozásában alkalmazott technológiák legújabb fejleményei miatt azonban az E-mező általában az interferencia fő összetevője.

EMI kapcsolási mechanizmusok

Az EMI összekapcsolási mechanizmus leírja, hogy az EMI-k hogyan kerülnek a forrástól a vevőig (az érintett eszközök). Az EMI természetének megértése, valamint annak összekapcsolása a forrástól a vevőig kulcsfontosságú a probléma kezeléséhez. A két komponens (H-mező és E-mező) által működtetett EMI-k egy forrásból egy vevőhöz vannak kapcsolva, négy fő EMI-kapcsolási típuson keresztül, amelyeket vezetnek, sugárzást, kapacitív összekapcsolást és induktív kapcsolást. Vessünk egy pillantást egymás után a kapcsolási mechanizmusokra.

1. Vezetés

Vezetés Csatolás akkor következik be, amikor az EMI-kibocsátás az EMI forrását és a vevőt összekötő vezetők (vezetékek és kábelek) mentén halad át. Az így összekapcsolt EMI gyakori az áramellátó vezetékeken, és általában nehéz a H-mező komponensen. Vezetés Az elektromos vezetékek kapcsolása lehet közös módú vezetés (az interferencia fázisban jelenik meg a + ve és -ve vonalon, vagy a tx és rx vonalon), vagy differenciális módú vezetés (az interferencia fázison kívül jelenik meg két vezetőn). A vezetés-összekapcsolt interferencia legnépszerűbb megoldása a szűrők használata és a kábelek árnyékolása.

2. Sugárzás

A sugárzás összekapcsolása az EMI összekapcsolás legnépszerűbb és leggyakrabban tapasztalt formája. A vezetéssel ellentétben, ez nem jár semmilyen fizikai kapcsolattal a forrás és a vevő között, mivel az interferencia az űrben kibocsátódik (kisugárzódik) a vevőbe. A sugárzott EMI jó példája a korábban említett napkimaradás.

3. Kapacitív csatolás

Ez két csatlakoztatott eszköz között fordul elő. Kapacitív kapcsolás akkor áll fenn, amikor a forrás változó feszültsége kapacitívan továbbít egy töltetet az áldozatnak

4. Induktív / mágneses tengelykapcsoló

Ez arra a fajta EMI-re vonatkozik, amely az elektromágneses indukció elvei alapján az egyik vezető közeli interferenciát okozó vezető eredményeként jelentkezik.

Elektromágneses interferencia és kompatibilitás

Az EMI szabvány az elektromágneses összeférhetőség (EMC) elnevezésű szabályozási szabvány részének mondható. Tartalmaz egy listát azokról a teljesítménystandardokról, amelyeknek az eszközöknek meg kell felelniük annak bemutatására, hogy képesek más eszközökkel együtt létezni, és a tervezett módon teljesíteni, anélkül, hogy a többi eszköz teljesítményét is befolyásolnák. Mint ilyen, az EMI szabványok lényegében az általános EMC szabványok részét képezik. Míg a neveket általában felcserélhető módon használják, egyértelmű különbség van közöttük, de ezt egy későbbi cikk tárgyalja.

Különböző országok és kontinensek / gazdasági övezetek eltérően variálják ezeket a szabványokat, de ebben a cikkben figyelembe vesszük a Federal Communications Commission (FCC) szabványait. Az „akaratlan” rádiófrekvenciát szabályozó FCC-szabványok 47. címének: Távközlés 15. része szerint az eszközök két osztályba sorolhatók; A és B osztály

Az A osztályú eszközök olyan eszközök, amelyeket az iparban, irodákban és bárhol másutt használnak, kivéve az otthonokat, míg a B osztályú eszközök otthoni használatra szánt eszközök, annak ellenére, hogy más környezetben használják őket.

A vezetéshez kötött kibocsátások tekintetében a B osztályú, otthoni használatra szánt készülékeknél a kibocsátások várhatóan az alábbi táblázatban megadott értékekre korlátozódnak. A következő információkat a Szövetségi Szabályzat Elektronikus Kódex webhelyéről szerezzük be.

Az A osztályú eszközök esetében a határértékek:

Sugárzott kibocsátások esetében az A osztályú készülékek várhatóan az alábbi határértékeken belül maradnak a megadott frekvenciákon;

Frekvencia (MHz)	µV / m
30–88	100
88–216	150
216–960	200
960 és magasabb	500

Míg a B osztályú eszközök esetében a határértékek vannak;

Frekvencia (MHz)	µV / m
30–88	90
88–216	150
216–960	210
960 és magasabb	300

Ezekről a szabványokról további információk találhatók a különböző szabályozó testületek oldalán.

Ezeknek az eszközökre vonatkozó EMC-szabványainak való megfeleléshez EMI-védelemre van szükség négy szinten: az egyes alkatrészek szintjén, az alaplap / NYÁK szintjén, a rendszer szintjén és a teljes rendszer szintjén. Ennek elérése érdekében két fő intézkedés; Általában elektromágneses árnyékolást és földelést alkalmaznak, bár más fontos intézkedéseket is alkalmaznak, például a szűrést. A legtöbb elektronikus eszköz zárt jellege miatt az EMI árnyékolást rendszerint alkalmazzák, hogy mind a sugárzott, mind a Vezetett EMI-ket tartalmazzák az EMC-szabványoknak való megfelelés biztosítása érdekében. Mint ilyen, megvizsgáljuk az árnyékolással kapcsolatos gyakorlati szempontokat, mint az EMI-védelem mértékét.

Elektromágneses árnyékolás - Védje tervét az EMI-től

Az árnyékolás az egyik fő intézkedés, amelyet az elektronikus termékek EMI csökkentése érdekében fogadtak el. Fémes burkolat / árnyékolás az elektronikához vagy a kábelekhez. Bizonyos berendezésekben / helyzetekben, amikor a teljes termék árnyékolása túl költséges vagy kivitelezhetetlen, a legfontosabb elemeket, amelyek EMI-források / mosogatók lehetnek, árnyékolják. Ez különösen gyakori a legtöbb előre tanúsított kommunikációs modulban és chipben.

A fizikai árnyékolás csökkenti az EMI-t azáltal, hogy csillapítja (gyengíti) az EMI jeleket a hullámok visszaverődésén és elnyelésén keresztül. A fémpajzsokat úgy tervezték, hogy képesek visszatükrözni az E-mező komponenseket, miközben nagy mágneses permeabilitással rendelkeznek ahhoz, hogy elnyeljék az EMI H-mező komponensét. A kábelekben a jelvezetékeket egy külső vezető réteg veszi körül, amely az egyik vagy mindkét végén földelve van, míg a burkolatoknál egy vezető fémház interferencia pajzsként működik.

Ideális esetben a tökéletes EMC burkolat olyan sűrű anyagból készülne, mint az acél, minden oldalról teljesen lezárva, kábelek nélkül, így nem vezet be vagy ki hullám, de számos szempont, például a házak alacsony költsége, a hőkezelés, többek között a karbantartás, a tápkábelek és az adatkábelek miatt az ilyen ideálok nem praktikusak. Mivel a kialakított lyukak mindegyike potenciális be- és kilépési pont az EMI-k számára, a tervezők kénytelenek több intézkedést megtenni annak biztosítására, hogy a készülék teljes teljesítménye a nap végén még mindig az EMC szabvány megengedett tartományán belül maradjon.

Árnyékolás gyakorlati szempontok

Mint fent említettük, több gyakorlati megfontolás szükséges a burkolatokkal vagy árnyékoló kábelekkel történő árnyékoláshoz. A kritikus EMI lehetőségekkel rendelkező termékek (egészségügy, repülés, áramellátás, kommunikáció, katonaság és így tovább) esetében fontos, hogy a terméktervező csapatok olyan személyekből álljanak, akik megfelelő tapasztalattal rendelkeznek az árnyékolással és az általános EMI-helyzetekkel kapcsolatban. Ez a szakasz átfogó áttekintést nyújt a lehetséges tippekről vagy az EMI árnyékolásáról.

1. Szekrény és ház kialakítása

Mint fent említettük, lehetetlen olyan nyílás nélküli házakat kialakítani, amelyek szellőzőrácsokként, kábellyukakként, ajtókként szolgálnak, és többek között kapcsolóként. Ezeket a burkolatok nyílásait, méretüktől és alakjuktól függetlenül, amelyeken keresztül az EM hullám beléphet a kamrába, vagy onnan kiléphet, EMI-értelemben réseknek nevezzük. A réseket úgy kell megtervezni, hogy az RFI frekvenciához viszonyított hossza és tájolása ne változtassa őket hullámvezetővé, míg szellőzőrácsok méretének és elrendezésüknek megfelelő egyensúlyt kell fenntartania a hőigény fenntartásához szükséges légáramlás között. és az EMI vezérlésének képessége a szükséges jelcsillapítás és az érintett RFI frekvencia alapján.

Az olyan kritikus alkalmazásokban, mint a katonai felszerelések, az olyan réseket, mint az ajtók, általában speciális tömítésekkel, úgynevezett EMI tömítésekkel látják el. Különböző típusúak, beleértve a kötött dróthálót és a fém spiráltömítéseket, de számos tervezési tényezőt (általában költség / haszon) figyelembe vesznek, mielőtt a tömítést választanák. Összességében a rések számának a lehető legkisebbnek és a méretnek a lehető legkisebbnek kell lennie.

2. Kábelek

Bizonyos házakhoz kábelnyílásokra lehet szükség; ezt a ház kialakításánál is figyelembe kell venni. Ban ben

Ezenkívül a kábelek a kritikus berendezésekben a vezetett EMI-k eszközeként is szolgálnak, a kábelek fonott pajzsot használnak, amelyet ezután földelnek. Bár ez a megközelítés drága, hatékonyabb. Alacsony költségű helyzetekben azonban a polcoktól eltérő megoldásokat, például ferritgyöngyöket helyeznek el a kábelek szélén meghatározott helyeken. NYÁK-alaplapon a szűrőket a bemeneti áramvezetékek mentén is megvalósítják.

Az EMI-tesztek teljesítésének legjobb gyakorlata

Néhány EMI tervezési gyakorlat, különösen az igazgatóság szintjén, az EMI kordában tartása érdekében;

Használjon előre tanúsított modulokat. Különösen a kommunikáció terén: a már tanúsított modulok használata csökkenti a csapatnak az árnyékolásban elvégzendő munkáját, és csökkenti a termék tanúsításának költségeit. Pro tipp: ahelyett, hogy új tápegységet tervezne a projekthez, tervezze meg a projektet úgy, hogy az kompatibilis legyen a meglévő, polc nélküli tápegységekkel. Ez megtakarítja az áramellátás igazolásának költségeit.
Tartsa az áramköröket kicsiben. A vezető képessége az energia indukcióval és sugárzással történő összekapcsolására egy kisebb hurokkal csökken, amely antennaként működik
A réz nyomtatott áramkör (PC) nyomtatott áramköri nyompáraihoz használjon széles (alacsony impedanciájú) nyomokat egymás fölé és alá igazítva.
Keresse meg a szűrőket az interferencia forrásánál, alapvetően a lehető legközelebb a tápegységhez. A szűrőkomponens értékeit a kívánt csillapítási frekvenciatartomány szem előtt tartásával kell megválasztani. Például a kondenzátorok bizonyos frekvenciákon önrezonálnak, amelyeken túl induktívan hatnak. Tartsa a bypass kondenzátor vezetékeit a lehető legrövidebb ideig.
Helyezze az alkatrészeket a NYÁK-ra, figyelembe véve a zajforrások közelségét a potenciálisan érzékeny áramkörökhöz.
Helyezze a leválasztó kondenzátorokat a konverterhez a lehető legközelebb, különösen az X és Y kondenzátorokhoz.
Ha lehetséges, használja a talajsíkokat a sugárzott csatolás minimalizálása érdekében, az érzékeny csomópontok keresztmetszeti területének minimalizálása és a nagy sugárzású csomópontok keresztmetszeti területének minimalizálása érdekében, amelyek sugározhatnak, például a közös módú kondenzátorokból.
A felületre szerelhető eszközök (SMD) jobbak, mint az ólmozott eszközök az RF energia kezelésében, mivel a rendelkezésre álló alacsonyabb induktivitás és szorosabb alkatrész-elhelyezés miatt.

Összességében fontos, hogy a fejlesztési folyamat során olyan személyek legyenek a csapatában, akik rendelkeznek ilyen tervezési tapasztalatokkal, mivel ez segít megtakarítani a tanúsítás költségeit, valamint biztosítja a rendszer és annak teljesítményének stabilitását és megbízhatóságát.