Elektromagnetisk interferens (emi) - typer, standarder og skjermingsteknikker

Sertifisering er vanligvis en av de dyreste og kjedeligste stadiene under utviklingen av et nytt maskinvareprodukt. Det hjelper myndighetene å vite at produktet overholder alle fastsatte lover og retningslinjer rundt funksjonene. På denne måten kan ytelsen til det aktuelle produktet sikres for å forhindre farer og skade for brukerne. Så kjedelig som dette stadiet vanligvis er, er det viktig for produktselskapene å planlegge dette før hånden for å oppheve kompleksiteten i siste øyeblikk. For dagens artikkel vil vi se på EMI Design Standardsom er en veldig vanlig praksis som designere må huske på for å utvikle kvalitetsprodukter. Vi vil se nærmere på EMI og undersøke dens typer, art, spesifikasjoner og standarder, koblings- og skjermingsmekanismer og beste praksis for bestått EMI-test.

EMI-standarder - hvordan det hele startet?

Den EMI (elektromagnetisk interferens) standard ble opprinnelig utviklet for å beskytte elektroniske kretser fra elektromagnetisk interferens som kan hindre dem i å utføre slik de opprinnelig var utformet for å være. Disse forstyrrelsene kan en gang til og med gjøre at enheten ikke fungerer som den skal for å bli farlig for brukerne. Det ble først en bekymring på 1950-tallet, og var først og fremst av interesse for militæret på grunn av noen få bemerkelsesverdige ulykker som følge av navigasjonsfeil på grunn av elektromagnetisk forstyrrelse i navigasjonssystemer, og radarutslipp som førte til utilsiktet frigjøring av våpen. Som sådan ønsket militæret å sikre at systemene var kompatible med hverandre, og at den ene operasjonen ikke påvirker den andre, da det kan føre til omkomne i deres håndverk.

Bortsett fra militære applikasjoner, nylig fremskritt innen medisin og helserelaterte løsninger som pacemakere og andre slags CIED, har også bidratt til behovet for EMI-reguleringer, da forstyrrelser i enheter som dette kan føre til livstruende situasjoner.

Disse blant andre scenariene er det som fører til etablering av EMI-interferensstandard og med det store antallet EMC-reguleringsorganer som er etablert.

Hva er elektromagnetisk interferens (EMI)?

Elektromagnetisk interferens kan defineres som uønsket elektromagnetisk energi som forstyrrer riktig funksjon av en elektronisk enhet. Alle elektroniske enheter genererer en viss mengde elektromagnetisk stråling siden strømmen som strømmer gjennom kretsene og ledningene aldri er fullstendig inneholdt. Denne energien fra enhet "A", enten spredt gjennom luften som elektromagnetisk stråling, eller koblet til (eller ledet langs) I / O eller kabler til en annen enhet "B", kan forstyrre driftsbalansen i enhet B, noe som får enheten til å feil noen ganger på en farlig måte. Denne energien fra enhet A som forstyrrer operasjonene til enhet B blir referert til som elektromagnetisk interferens .

Forstyrrelsen kan en gang til og med komme fra en naturlig kilde som elektriske stormer, men oftere enn ikke, er det vanligvis som et resultat av handlingene til en annen enhet i nærheten. Mens alle elektroniske enheter genererer noen EMI-er, er det en større sannsynlighet for at en viss klasse enheter som mobiltelefoner, LED-skjermer og motorer genererer forstyrrelser sammenlignet med andre. Siden ingen enheter kan fungere i et isolert miljø, er det viktig å sikre at enhetene våre overholder visse standarder for å sikre at forstyrrelser holdes på det minste minimum. Disse standardene og forskriftene er kjent som EMI-standarden, og hvert produkt / utstyr som skal brukes / selges i regioner / land der disse standardene er lovlig, må være sertifisert før de kan brukes.

Typer av elektromagnetisk interferens (EMI)

Før vi ser på standarden og regelverket, er det sannsynligvis viktig å undersøke hvilken type EMI-er for bedre å forstå hva slags immunitet som skal bygges inn i produktene dine. Elektromagnetisk interferens kan kategoriseres i typer basert på flere faktorer, inkludert;

1. Kilde til EMI
2. Varigheten av EMI
3. EMI-båndbredde

Vi vil se på hver av disse kategoriene etter hverandre.

1. Kilde til EMI

En måte å kategorisere EMI i typer er ved å undersøke kilden til forstyrrelsen og hvordan den ble opprettet. Under denne kategorien er det i utgangspunktet to typer EMI, naturlig forekommende EMI og menneskeskapte EMI. Den naturlig forekommende EMI refererer til elektromagnetiske forstyrrelser som oppstår som et resultat av naturlige fenomener som belysning, elektriske stormer og andre lignende hendelser. Mens menneskeskapt EMI derimot refererer til EMI som oppstår som et resultat av aktivitetene til andre elektroniske enheter i nærheten av enheten (mottaker) som opplever forstyrrelser. Eksempler på denne typen EMI inkluderer radiofrekvensinterferens, EMI i lydutstyr blant andre.

2. Varighet av forstyrrelser

EMI er også kategorisert i typer basert på interferensens varighet, dvs. tidsperioden interferensen ble opplevd for. Basert på dette er EMI vanligvis gruppert i to typer, kontinuerlig EMI og impuls EMI. Den Kontinuerlig EMI refererer til emis som kontinuerlig utsendes av en kilde. Kilden kan være menneskeskapt eller naturlig, men interferensen oppleves kontinuerlig, så lenge det eksisterer en koblingsmekanisme (ledning eller stråling) mellom EMI-kilden og mottakeren. Impulse EMIer EMI som forekommer periodevis eller innen veldig kort varighet. I likhet med de kontinuerlige EMI-ene kan Impulse EMI også være naturlig forekommende eller menneskeskapt. Eksemplet inkluderer impulsstøy fra brytere, lys og lignende kilder som kan avgi signaler som forårsaker forstyrrelser i spenningen eller strømbalansen i tilkoblede nærliggende systemer.

3. Båndbredde til EMI

EMI kan også kategoriseres i typer ved hjelp av båndbredde. Båndbredden til en EMI refererer til frekvensområdet der EMI oppleves. Basert på dette kan EMI kategoriseres i smalbånds EMI og bredbånds EMI. Den smal EMI består vanligvis av en enkelt frekvens eller en smalbåndet interferensfrekvenser, muligens blir generert av en form for oscillator eller som et resultat av falske signaler som oppstår på grunn av forskjellige typer forvrengning i en sender. I de fleste tilfeller har de vanligvis en mindre innvirkning på kommunikasjon eller elektronisk utstyr og kan enkelt stilles inn. Imidlertid forblir de en sterk kilde til forstyrrelser og bør holdes innenfor akseptable grenser. The Broadband EMIser EMI som ikke forekommer på enkelt / diskrete frekvenser. De okkuperer en stor del av det magnetiske spekteret, eksisterer i forskjellige former og kan oppstå fra forskjellige menneskeskapte eller naturlige kilder. Typiske årsaker inkluderer lysbuer og korona, og det representerer kilden til en god prosentandel av EMI-problemer i digitalt datautstyr. Et godt eksempel på en naturlig forekommende EMI-situasjon er "Sun Outage", som oppstår som et resultat av at energien fra solen forstyrrer signalet fra en kommunikasjonssatellitt. Andre eksempler inkluderer; EMI som et resultat av feilbørster i motorer / generatorer, lysbuer i tenningssystemer, defekte kraftledninger og dårlige lysrør.

EMIs art

EMI som beskrevet tidligere, er elektromagnetiske bølger som består av både E (elektrisk) og H (magnetisk) feltkomponent, som svinger i rett vinkel mot hverandre som vist nedenfor. Hver av disse komponentene reagerer forskjellig på parametere som frekvens, spenning, avstand og strøm, det er derfor viktig å forstå EMIs natur, å vite hvilken av dem som er dominerende før problemet kan løses tydelig.

For eksempel for elektriske feltkomponenter kan EMI-dempning forbedres via materialer med høy ledningsevne, men reduseres av materialer med økt permeabilitet, noe som i motsetning forbedrer demping for magnetfeltkomponenten. Som sådan vil økt permeabilitet i et system med E-feltdominert EMI redusere demping, men dempningen vil forbedres i et H-feltdominert EMI. På grunn av nylige fremskritt innen teknologi som brukes til å lage elektroniske komponenter, er E-feltet vanligvis den viktigste komponenten i forstyrrelsen.

EMI-koblingsmekanismer

EMI-koblingsmekanisme beskriver hvordan EMI-ene kommer fra kilden til mottakeren (berørte enheter). Å forstå EMIs natur sammen med hvordan den kobles fra kilden til mottakeren er nøkkelen til å løse problemet. Drevet av de to komponentene (H-felt og E-felt), er EMI koblet fra en kilde til en mottaker via fire hovedtyper av EMI-kobling de leder, stråling, kapasitiv kobling og induktiv kobling. La oss ta en titt på koblingsmekanismene etter hverandre.

1. Ledning

Ledningskobling oppstår når EMI-utslipp føres langs ledere (ledninger og kabler) som forbinder kilden til EMI og mottakeren. EMI koblet på denne måten er vanlig på strømforsyningslinjene og vanligvis 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-linjene) eller Differential Mode Conduction (interferensen ser ut av fase på to ledere). Den mest populære løsningen på ledningskoblet interferens er bruk av filtre og skjerm over kabler.

2. Stråling

Strålingskobling er den mest populære og mest erfarne formen for EMI-kobling. I motsetning til ledning involverer det ingen fysisk forbindelse mellom kilden og mottakeren ettersom forstyrrelsen sendes (utstråles) via rommet til mottakeren. Et godt eksempel på utstrålt EMI er solbrudd som er nevnt tidligere.

3. Kapasitiv kobling

Dette skjer mellom to tilkoblede enheter. Kapasitiv kobling eksisterer når en skiftende spenning i kilden kapasitivt overfører en ladning til offeret

4. Induktiv / magnetisk kobling

Dette refererer til den typen EMI som oppstår som et resultat av en leder som induserer interferens i en annen leder i nærheten, basert på prinsippene for elektromagnetisk induksjon.

Elektromagnetisk interferens og kompatibilitet

EMI-standarden kan sies å være en del av den regulatoriske standarden kalt elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Den inneholder en liste over ytelsesstandarder som enheter må oppfylle for å vise at de er i stand til å eksistere sammen med andre enheter og utføre som designet uten å påvirke ytelsen til de andre enhetene. Som sådan er EMI-standarder i det vesentlige en del av de generelle EMC-standardene. Mens navnene vanligvis brukes om hverandre, eksisterer det en klar forskjell mellom dem, men dette vil bli dekket i en oppfølgingsartikkel.

Forskjellige land og kontinenter / økonomiske soner, har forskjellige variasjoner av disse standardene, men for denne artikkelen vil vi vurdere Federal Communications Commission (FCC) standarder. I henhold til del 15 i tittel 47: telekommunikasjon, i FCC-standardene, som regulerer “utilsiktet” radiofrekvens, er det to klasser av enheter; Klasse A og B.

Klasse A-enheter er enheter som er ment for bruk i industrien, kontorer, hvor som helst annet enn hjem, mens CLass B-enheter er enheter ment for hjemmebruk, til tross for at de brukes i andre miljøer.

Når det gjelder ledningskoblede utslipp, forventes utslipp for klasse B-enheter ment å brukes hjemme, til verdiene vist i tabellen nedenfor. Følgende informasjon er hentet fra den elektroniske koden for føderal reguleringsside.

For klasse A-enheter er grensene:

For utstrålte utslipp forventes det at klasse A- enheter holder seg innenfor grensen nedenfor for de angitte frekvensene;

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

Mens for klasse B- enheter er grensene;

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

Mer informasjon om disse standardene finner du på siden til de forskjellige reguleringsorganene.

Overholdelse av disse EMC-standardene for enheter krever EMI-beskyttelse på fire nivåer: individuelt komponentnivå, kort / PCB-nivå, systemnivå og samlet systemnivå. For å oppnå dette, to store tiltak; Elektromagnetisk skjerming og jording brukes vanligvis, selv om andre viktige tiltak som filtrering også brukes. På grunn av den lukkede naturen til de fleste elektroniske enheter, brukes EMI-skjerming vanligvis på systemnivå for å inneholde både utstrålte og ledede EMIer for å sikre samsvar med EMC-standarder. Som sådan vil vi se på praktiske betraktninger rundt skjerming som et mål for EMI-beskyttelse.

Elektromagnetisk skjerming - Beskytt designet ditt mot EMI

Skjerming er et av de viktigste tiltakene som er vedtatt for å redusere EMI i elektroniske produkter. Det innebærer bruk av en metallkapsling / skjerm for elektronikken eller kablene. I visse utstyr / situasjoner der skjerming av hele produktet kan være for kostbart eller upraktisk, er de mest kritiske komponentene som kan være en EMI-kilde / vask skjermet. Dette er spesielt vanlig i de fleste forhåndssertifiserte kommunikasjonsmoduler og sjetonger.

Fysisk skjerming reduserer EMI ved å dempe (svekke) EMI-signaler gjennom refleksjon og absorpsjon av bølgene. Metalliske skjold er utformet på en slik måte at den er i stand til å reflektere E-feltkomponent mens den har høy magnetisk permeabilitet for at den skal absorbere H-feltkomponenten i EMI. I kabler er signalledningene omgitt av et ytre ledende lag som er jordet i den ene eller begge ender, mens for ledninger fungerer et ledende metallhus som et interferensskjold.

Ideelt sett ville det perfekte EMC-kabinettet være laget av et tett materiale som stål, helt forseglet på alle sider uten kabler, slik at ingen bølge beveger seg inn eller ut, men flere hensyn, som behovet for, lave kostnader på skap, varmestyring, Blant annet vedlikeholds-, strøm- og datakabler, gjør slike idealer upraktiske. Med hvert av hullene som er opprettet, fordi disse behovene er et potensielt inngangs- / utgangssted for EMI, er designere tvunget til å ta flere tiltak for å sikre at den totale ytelsen til enheten fremdeles ligger innenfor tillatte områder av EMC-standarden på slutten av dagen..

Skjermende praktiske hensyn

Som nevnt ovenfor er det flere praktiske hensyn som kreves ved skjerming med kapslinger eller skjermkabler. For produkter med kritiske EMI-muligheter (helse, luftfart, makt, kommunikasjon, militær og så videre), er det viktig at produktdesignteam består av personer med relevant erfaring med skjerming og generelle EMI-situasjoner. Denne delen vil gi en bred oversikt over noen av de mulige tipsene eller EMI-skjerming.

1. Skap og kabinettdesign

Som nevnt ovenfor er det umulig å utforme kapslinger uten visse åpninger for å fungere som ventilasjonsgaller, kabelhull, dører og for ting som brytere. Disse åpningene på kapslinger, uavhengig av størrelse eller form, gjennom hvilke en EM-bølge kan komme inn eller ut av innkapslingen, i EMI-termer, blir referert til som spor. Spalter må være utformet på en slik måte at deres lengde og retning i forhold til RFI-frekvensen ikke gjør dem til en bølgeleder, mens størrelsen og arrangementet når det gjelder ventilasjonsgitter, skal opprettholde en riktig balanse mellom luftstrømmen som kreves for å opprettholde termiske krav av kretsene og evnen til å kontrollere EMI basert på den nødvendige signal dempingen og den involverte RFI-frekvensen.

I kritiske applikasjoner som militært utstyr, er spor som dører osv. Vanligvis snørt med spesialiserte pakninger kalt EMI-pakninger. De kommer i forskjellige typer, inkludert, strikket trådnett og metalliske spiralpakninger, men flere designfaktorer (vanligvis pris / fordeler) vurderes før valget av pakning blir gjort. Totalt sett skal antallet spor være så lite som mulig og størrelsen være så liten som mulig.

2. Kabler

Visse kabinetter kan være pålagt å ha kabelåpninger; dette må også tas med i skapets utforming. I

Bortsett fra dette, fungerer kabler også som et middel til ledede EMI-er som sådan i kritisk utstyr, kabler bruker et flettet skjold som deretter blir jordet. Selv om denne tilnærmingen er dyr, er den mer effektiv. Imidlertid, i lavprissituasjoner, er hylleløsninger som ferritperler plassert på bestemte steder ved kanten av kablene. På PCB-kortnivå implementeres også filtre langs inngangsstrømledninger.

Beste fremgangsmåter for å bestå EMI-tester

Noen av EMI-designpraksisene, spesielt på styrenivå, for å holde EMI i sjakk inkluderer;

1. Bruk forhåndssertifiserte moduler. Spesielt for kommunikasjon reduserer bruken av allerede sertifiserte moduler arbeidsmengden teamet trenger å gjøre med skjerming og reduserer kostnadene for sertifisering for produktet ditt. Pro-tips: I stedet for å designe en ny strømforsyning for prosjektet ditt, kan du utforme prosjektet slik at det er kompatibelt med eksisterende strømforsyninger. Dette sparer deg for å sertifisere strømforsyningen.
2. Hold gjeldende sløyfer små. Evnen til en leder til å koble energi ved induksjon og stråling senkes med en mindre sløyfe, som fungerer som en antenne
3. For par med kobberkort (PC) -spor, bruk brede spor (lavimpedans) som er justert over og under hverandre.
4. Finn filtre ved kilden til forstyrrelser, i utgangspunktet så nær strømmodulen som mulig. Filterkomponentverdier bør velges med tanke på ønsket frekvensområde for demping. Som et eksempel resonerer kondensatorene ved bestemte frekvenser, utover hvilke de virker induktive. Hold bypass kondensatorledninger så korte som mulig.
5. Plasser komponenter på kretskortet med tanke på nærhet av støykilder til potensielt følsomme kretser.
6. Plasser avkoblingskondensatorer så nær som mulig til omformeren, spesielt X- og Y-kondensatorer.
7. Bruk bakkeplaner når det er mulig for å minimere utstrålt kobling, minimere tverrsnittsarealet til følsomme noder og minimere tverrsnittsarealet til høystrømsnoder som kan utstråle, for eksempel de fra vanlig modus kondensatorer
8. Overflatemonterte enheter (SMD) er bedre enn blyholdige enheter når det gjelder RF-energi på grunn av reduserte induktanser og nærmere tilgjengelige komponentplasseringer.

Alt i alt er det viktig å ha individer med disse designopplevelsene i teamet ditt under utviklingsprosessen, da det bidrar til å spare sertifiseringskostnader og også sikrer stabiliteten og påliteligheten til systemet ditt og dets ytelse.