Elektromagnetické rušení (emi) - typy, normy a stínící techniky

Certifikace je obvykle jednou z nejdražších a zdlouhavějších fází vývoje nového hardwarového produktu. Pomáhá úřadům vědět, že produkt dodržuje všechny stanovené zákony a pokyny týkající se funkcí. Tímto způsobem lze zajistit výkonnost konkrétního produktu, aby se předešlo rizikům a škodám jeho uživatelům. Jakkoli je tato fáze zdlouhavá, je důležité, aby si to produktové společnosti předem naplánovaly a zrušily tak složitosti na poslední chvíli. V dnešním článku se podíváme na EMI Design Standardcož je velmi běžná praxe, kterou si designéři musí pamatovat při vývoji kvalitních produktů. Podíváme se na EMI podrobně a prozkoumáme jeho typy, povahu, specifikace a standardy, vazební a stínící mechanismy a osvědčené postupy pro předávání testů EMI.

Standardy EMI - jak to všechno začalo?

Standard EMI (Electromagnetic Interference) byl původně vytvořen k ochraně elektronických obvodů před elektromagnetickým rušením, které jim může bránit v tom, jak byly původně navrženy. Tato interference může někdy dokonce způsobit úplnou poruchu zařízení, která by mohla být pro uživatele nebezpečná. Poprvé se stal problémem v padesátých letech minulého století a zajímal se především o armádu kvůli několika pozoruhodným nehodám způsobeným selháním navigace způsobeným elektromagnetickým rušením v navigačních systémech a radarovými emisemi vedoucími k neúmyslnému uvolnění zbraní. Armáda jako taková chtěla zajistit, aby systémy byly navzájem kompatibilní a operace jednoho z nich neovlivňují druhý, protože by to mohlo vést k úmrtím v jejich plavidle.

Kromě vojenských aplikací, nedávný pokrok v řešeních souvisejících s medicínou a zdravím, jako jsou kardiostimulátory a jiné druhy CIED, také přispěl k potřebě předpisů EMI, protože rušení takových zařízení by mohlo vést k život ohrožujícím situacím.

Mezi další scénáře patří to, co vede k vytvoření standardu rušení EMI a k velkému počtu regulačních orgánů EMC, které byly vytvořeny.

Co je elektromagnetické rušení (EMI)?

Elektromagnetické rušení lze definovat jako nežádoucí elektromagnetickou energii, která narušuje správné fungování elektronického zařízení. Všechna elektronická zařízení generují určité množství elektromagnetického záření, protože elektřina protékající jeho obvody a dráty není nikdy zcela izolována. Tato energie ze zařízení „A“, která se buď šíří vzduchem jako elektromagnetické záření, nebo se připojuje (nebo vede podél) I / O nebo kabelů jiného zařízení „B“, by mohla narušit provozní rovnováhu v zařízení B a způsobit nefunkčnost někdy nebezpečným způsobem. Tato energie ze zařízení A interferující s provozem zařízení B se označuje jako elektromagnetické rušení .

Interference může někdy pocházet z přírodního zdroje, jako jsou elektrické bouře, ale častěji než obvykle, je to obvykle v důsledku činnosti jiného zařízení v těsné blízkosti. Zatímco všechna elektronická zařízení generují některé EMI, určitá třída zařízení, jako jsou mobilní telefony, zejména LED displeje a motory, pravděpodobně generuje rušení ve srovnání s ostatními. Protože žádné zařízení nemůže pracovat v izolovaném prostředí, je důležité zajistit, aby naše zařízení dodržovala určité standardy, aby bylo zajištěno, že interference bude udržována na minimu. Tyto standardy a předpisy jsou známé jako standard EMI a každý produkt / zařízení, které má být použit / prodáno v regionech / zemích, kde jsou tyto standardy zákonem, musí být před použitím certifikováno.

Typy elektromagnetického rušení (EMI)

Než se podíváme na standard a předpisy, je pravděpodobně důležité prozkoumat typ EMI, abychom lépe porozuměli druhu imunity, která by měla být zabudována do vašich produktů. Elektromagnetické rušení lze rozdělit do typů na základě několika faktorů včetně;

Zdroj EMI
Doba trvání EMI
Šířka pásma EMI

Podíváme se na každou z těchto kategorií jeden po druhém.

1. Zdroj EMI

Jedním ze způsobů kategorizace EMI do typů je zkoumání zdroje rušení a způsobu, jakým bylo vytvořeno. V této kategorii existují v zásadě dva typy EMI, přirozeně se vyskytující EMI a člověkem vytvořené EMI. Přirozeně se vyskytující EMI se týká elektromagnetického rušení, které se vyskytují v důsledku přírodních jevů, jako je osvětlení, bouřky a jiných podobných událostí. Zatímco člověkem vytvořený EMI na druhé straně označuje EMI, ke kterým dochází v důsledku činností jiných elektronických zařízení v blízkosti zařízení (přijímače), které rušení zaznamenává. Mezi příklady těchto typů EMI patří mimo jiné vysokofrekvenční rušení, EMI ve zvukových zařízeních.

2. Doba trvání rušení

EMI jsou také rozděleny do typů na základě doby trvání rušení, tj. Doby, po kterou se rušení vyskytlo. Na základě toho jsou EMI obvykle seskupeny do dvou typů, Continuous EMI a Impulse EMI. Kontinuální EMI se týká elektronických peněz, které jsou neustále vyzařovaných zdrojem. Zdroj může být vytvořen člověkem nebo přirozený, ale rušení se objevuje nepřetržitě, dokud existuje vazební mechanismus (vedení nebo záření) mezi zdrojem EMI a přijímačem. Impulzní EMIjsou EMI, které se vyskytují přerušovaně nebo ve velmi krátké době. Stejně jako kontinuální EMI může být i Impulse EMI přirozeně se vyskytující nebo vytvořený člověkem. Příklad zahrnuje impulsní šum způsobený spínači, osvětlením a podobnými zdroji, který by mohl vydávat signály, které způsobují narušení rovnováhy napětí nebo proudu připojených blízkých systémů.

3. Šířka pásma EMI

EMI lze také rozdělit do typů podle jejich šířky pásma. Šířka pásma EMI se týká rozsahu frekvencí, na nichž je EMI zažíváno. Na základě toho lze EMI kategorizovat na úzkopásmové EMI a širokopásmové EMI. Úzkopásmové EMI se obvykle skládá z jedné frekvence nebo úzkopásmový interferenčních frekvencí, která mohou být vytvořené formou oscilátoru nebo v důsledku rušivých signálů, způsobené různými druhy zkreslení ve vysílači. Ve většině případů mají obvykle menší vliv na komunikaci nebo elektronická zařízení a lze je snadno vyladit. Zůstávají však silným zdrojem interference a měly by být udržovány v přijatelných mezích. Broadband instituce elektronických penězjsou EMI, které se nevyskytují na jednotlivých / diskrétních frekvencích. Zabírají velkou část magnetického spektra, existují v různých formách a mohou pocházet z různých umělých nebo přírodních zdrojů. Mezi typické příčiny patří jiskření a koróna, což představuje zdroj dobrého procenta problémů s EMI v digitálních datových zařízeních. Dobrým příkladem přirozeně se vyskytující situace EMI je „Výpadek slunce“, ke kterému dochází v důsledku energie ze slunce, která narušuje signál z komunikačního satelitu. Mezi další příklady patří; EMI v důsledku vadných kartáčů v motorech / generátorech, elektrického oblouku v zapalovacích systémech, vadného elektrického vedení a špatných zářivek.

Povaha EMI

EMI, jak bylo popsáno výše, jsou elektromagnetické vlny, které se skládají z komponent E (elektrického) i H (magnetického) pole a navzájem oscilují v pravém úhlu, jak je znázorněno níže. Každá z těchto složek reaguje odlišně na parametry, jako je frekvence, napětí, vzdálenost a proud, a proto je důležité pochopit podstatu EMI a vědět, která z nich je dominantní, než bude možné problém jasně vyřešit.

Například pro komponenty elektrického pole lze útlum EMI zlepšit pomocí materiálů s vysokou vodivostí, ale snížit pomocí materiálů se zvýšenou propustností, což naopak zlepšuje útlum pro složku magnetického pole. Zvýšená propustnost v systému s EMI ovládaným E-polem jako tak sníží útlum, ale útlum se zlepší v EMI ovládaném H-polem. Avšak vzhledem k nedávnému pokroku v technologiích používaných při vytváření elektronických součástek je E-pole obvykle hlavní složkou interference.

EMI vazební mechanismy

Mechanismus propojení EMI popisuje, jak se EMI dostanou ze zdroje do přijímače (ovlivněná zařízení). Klíčem k řešení problému je pochopení podstaty EMI a způsobu jeho propojení od zdroje k přijímači. Poháněné dvěma složkami (H-pole a E-pole) jsou EMI spojeny ze zdroje do přijímače prostřednictvím čtyř hlavních typů EMI vazeb, kterými jsou vedení, záření, kapacitní vazba a indukční vazba. Pojďme se podívat na spojovací mechanismy jeden po druhém.

1. Vedení

K propojení vedení dochází, když emise EMI procházejí vodiči (dráty a kabely) spojujícími zdroj EMI a přijímač dohromady. EMI spojené tímto způsobem je běžné na napájecích vedeních a obvykle těžké na komponentě H-pole. Spojení vedení na silnoproudých vedeních může být buď vedení v běžném režimu (rušení se objeví ve fázi na vedení + ve a -ve nebo vedení tx a rx), nebo vedení v diferenciálním režimu (rušení se objeví mimo fázi na dvou vodičích). Nejoblíbenějším řešením rušení spojeného s vedením je použití filtrů a stínění přes kabely.

2. Radiace

Radiační vazba je nejoblíbenější a nejběžněji používanou formou propojení EMI. Na rozdíl od vedení nezahrnuje žádné fyzické spojení mezi zdrojem a přijímačem, protože interference je vyzařována (vyzařována) prostorem do přijímače. Dobrým příkladem vyzařovaného EMI je výše zmíněný výpadek slunce.

3. Kapacitní vazba

K tomu dochází mezi dvěma připojenými zařízeními. Kapacitní vazba existuje, když měnící se napětí ve zdroji kapacitně přenáší náboj na oběť

4. Indukční / magnetická vazba

To se týká druhu EMI, ke kterému dochází v důsledku toho, že vodič indukuje rušení v jiném vodiči blízko na základě principů elektromagnetické indukce.

Elektromagnetické rušení a kompatibilita

O standardu EMI lze říci, že je součástí regulačního standardu zvaného Elektromagnetická kompatibilita (EMC). Obsahuje seznam výkonových standardů, které zařízení musí splňovat, aby prokázaly, že jsou schopny koexistovat s jinými zařízeními a fungovat tak, jak je navrženo, aniž by to mělo vliv na výkon ostatních zařízení. Normy EMI jako takové jsou v zásadě součástí obecných norem EMC. I když se názvy obvykle používají zaměnitelně, existuje mezi nimi jasný rozdíl, ale tomuto se budeme věnovat v následujícím článku.

Různé země a kontinenty / ekonomické zóny mají různé varianty těchto standardů, ale u tohoto článku budeme uvažovat o standardech Federální komunikační komise (FCC). Podle části 15 hlavy 47: Telekomunikace, standardů FCC, které regulují „neúmyslnou“ rádiovou frekvenci, existují dvě třídy zařízení; Třída A a B.

Zařízení třídy A jsou zařízení, která jsou určena pro použití v průmyslu, kancelářích, kdekoli jinde než v domácnostech, zatímco zařízení CLass B jsou zařízení určená pro domácí použití, bez ohledu na jeho použití v jiných prostředích.

Pokud jde o emise spojené s vedením, očekává se, že u zařízení třídy B určených k použití v domácnosti budou emise omezeny na hodnoty uvedené v tabulce níže. Následující informace jsou získány z elektronického kodexu webových stránek federálního nařízení.

U zařízení třídy A jsou limity;

U vyzařovaných emisí se očekává, že zařízení třídy A zůstanou v níže uvedeném limitu pro stanovené frekvence;

Frekvence (MHz)	µV / m
30 až 88	100
88 až 216	150
216 až 960	200
960 a vyšší	500

U zařízení třídy B jsou limity;

Frekvence (MHz)	µV / m
30 až 88	90
88 až 216	150
216 až 960	210
960 a vyšší	300

Více informací o těchto normách najdete na stránce různých regulačních orgánů.

Splnění těchto norem EMC pro zařízení vyžaduje ochranu EMI na čtyřech úrovních: úroveň jednotlivých komponent, úroveň desky / desky plošných spojů, úroveň systému a celková úroveň systému. K dosažení tohoto cíle, dvě hlavní opatření; Obvykle se používá elektromagnetické stínění a uzemnění, i když se používají i další důležitá opatření, jako je filtrování. Vzhledem k uzavřené povaze většiny elektronických zařízení se stínění EMI obvykle používá na úrovni systému, aby obsahovalo jak vyzařované, tak i vedené EMI, aby byla zajištěna shoda s normami EMC. Z tohoto důvodu se budeme zabývat praktickými úvahami o stínění jako opatření pro ochranu EMI.

Elektromagnetické stínění - Chraňte svůj design před EMI

Stínění je jedním z hlavních opatření přijatých ke snížení EMI u elektronických výrobků. Zahrnuje použití kovového krytu / stínění pro elektroniku nebo kabely. V určitých zařízeních / situacích, kdy může být stínění celého produktu příliš nákladné nebo nepraktické, jsou stíněny nejdůležitější součásti, které by mohly být zdrojem / dřezem EMI. To je zvláště běžné ve většině předcertifikovaných komunikačních modulů a čipů.

Fyzické stínění snižuje EMI zeslabením (oslabením) signálů EMI odrazem a absorpcí jeho vln. Kovové štíty jsou navrženy takovým způsobem, že jsou schopné odrážet složku E-pole a zároveň mají vysokou magnetickou permeabilitu pro absorpci složky H pole EMI. V kabelech jsou signální vodiče obklopeny vnější vodivou vrstvou, která je na jednom nebo obou koncích uzemněna, zatímco u krytů funguje jako interferenční štít vodivé kovové pouzdro.

V ideálním případě by dokonalým krytem EMC byl kryt vyrobený z hustého materiálu, jako je ocel, plně utěsněný ze všech stran bez kabelů, takže žádná vlna neprochází dovnitř ani ven, ale existuje několik faktorů, jako je potřeba, nízké náklady na kryty, řízení tepla, údržba, napájecí a datové kabely mimo jiné činí tyto ideály nepraktickými. S každou vytvořenou dírou, protože tyto potřeby jsou potenciálním vstupním / výstupním bodem pro EMI, jsou designéři nuceni přijmout několik opatření, aby zajistili, že celkový výkon zařízení bude na konci dne stále v povoleném rozsahu normy EMC.

Stínění Praktické úvahy

Jak bylo uvedeno výše, při stínění pomocí krytů nebo stíněných kabelů je zapotřebí několik praktických úvah. U produktů s kritickými možnostmi EMI (zdraví, letectví, energetika, komunikace, armáda atd.) Je důležité, aby týmy návrhářů produktů tvořily osoby s příslušnými zkušenostmi se stíněním a obecnými situacemi EMI. Tato část poskytuje široký přehled některých možných tipů nebo stínění EMI.

1. Návrh skříně a skříně

Jak již bylo zmíněno výše, není možné navrhovat skříně bez určitých otvorů, které slouží mimo jiné jako ventilační mřížky, otvory pro kabely, dveře a podobně. Tyto otvory na krytech, bez ohledu na jejich velikost nebo tvar, kterými může elektromagnetická vlna vstupovat nebo vystupovat z krytu, se z hlediska EMI, označují jako sloty. Sloty musí být navrženy tak, aby jejich délka a orientace vzhledem k frekvenci RFI z nich nevytvořily vlnovod, zatímco jejich velikost a uspořádání v případě ventilačních mřížek by mělo udržovat správnou rovnováhu mezi prouděním vzduchu potřebným k udržení tepelných požadavků obvodů a schopnost řídit EMI na základě požadovaného útlumu signálu a použité RFI frekvence.

V kritických aplikacích, jako je vojenské vybavení, jsou sloty jako dveře atd. Obvykle opatřeny specializovanými těsněními nazývanými EMI těsnění. Přicházejí v různých typech, včetně pletených drátěných pletiv a kovových spirálových těsnění, ale před výběrem těsnění je zváženo několik konstrukčních faktorů (obvykle cena / přínosy). Celkově by měl být počet slotů co nejmenší a velikost by měla být co nejmenší.

2. Kabely

Může být vyžadováno, aby některé skříně měly kabelové otvory; to musí být zohledněno také v konstrukci krytu. v

Kromě toho kabely také slouží jako prostředek vedení EMI jako takových v kritických zařízeních, kabely používají opletený štít, který je poté uzemněn. I když je tento přístup nákladný, je efektivnější. V situacích s nízkými náklady jsou však běžná řešení, jako jsou feritové korálky, umístěna na konkrétní místa na okraji kabelů. Na úrovni desky s plošnými spoji jsou filtry také implementovány podél vstupního elektrického vedení.

Osvědčené postupy pro úspěšné absolvování testů EMI

Některé postupy navrhování EMI, zejména na úrovni představenstva, které udržují EMI pod kontrolou, zahrnují;

Používejte předcertifikované moduly. Zejména pro komunikaci použití již certifikovaných modulů snižuje množství práce, kterou tým potřebuje při stínění, a snižuje náklady na certifikaci vašeho produktu. Pro Tip: Místo navrhování nového napájecího zdroje pro váš projekt navrhněte projekt tak, aby byl kompatibilní se stávajícími běžnými napájecími zdroji. To vám ušetří náklady na certifikaci napájecího zdroje.
Udržujte aktuální smyčky malé. Schopnost vodiče spojovat energii indukcí a zářením se snižuje pomocí menší smyčky, která funguje jako anténa
U párů tras desek plošných spojů z mědi (PC) použijte široké stopy (s nízkou impedancí) zarovnané nad a pod sebou.
Filtry vyhledejte u zdroje rušení, v zásadě co nejblíže výkonovému modulu. Hodnoty komponent filtru by měly být zvoleny s ohledem na požadovaný frekvenční rozsah útlumu. Jako příklad lze uvést, že kondenzátory samy rezonují při určitých frekvencích, za kterými působí indukčně. Udržujte obtokové kondenzátorové vodiče co nejkratší.
Umístěte komponenty na desku plošných spojů s ohledem na blízkost zdrojů hluku k potenciálně citlivým obvodům.
Oddělovací kondenzátory umístěte co nejblíže převodníku, zejména kondenzátory X a Y.
Pokud je to možné, použijte pozemní roviny k minimalizaci vyzařované vazby, minimalizaci průřezu citlivých uzlů a minimalizaci průřezu vysoce proudových uzlů, které mohou vyzařovat, například z kondenzátorů v běžném režimu
Zařízení pro povrchovou montáž (SMD) jsou lepší než zařízení s olovem při řešení vysokofrekvenční energie kvůli sníženým dostupným indukčnostem a bližšímu umístění komponent.

Celkově je důležité mít ve svém týmu během procesu vývoje jednotlivce s těmito zkušenostmi s designem, protože to pomáhá šetřit náklady na certifikaci a také zajišťuje stabilitu a spolehlivost vašeho systému a jeho výkonu.