Elektromagnetske smetnje (emi) - vrste, standardi i tehnike zaštite

Certifikacija je obično jedna od najskupljih i zamornijih faza tijekom razvoja novog hardverskog proizvoda. Vlastima pomaže da znaju da li se proizvod pridržava svih propisanih zakona i smjernica oko funkcija. Na taj se način može osigurati izvedba određenog proizvoda kako bi se spriječile opasnosti i šteta za njegove korisnike. Koliko god ova faza obično bila zamorna, važno je da proizvodne tvrtke to planiraju prije nego što ponište složenost u posljednjem trenutku. Za današnji članak razmotrit ćemo EMI Design Standardšto je vrlo česta praksa koju dizajneri moraju imati na umu kako bi razvili kvalitetne proizvode. Detaljno ćemo razmotriti EMI i ispitati njegove vrste, prirodu, specifikacije i standarde, mehanizme za spajanje i zaštitu i najbolje prakse za polaganje EMI testova.

EMI standardi - Kako je sve počelo?

Standard EMI (elektromagnetske smetnje) izvorno je stvoren za zaštitu elektroničkih sklopova od elektromagnetskih smetnji koje ih mogu spriječiti da rade onako kako su prvotno zamišljeni. Te smetnje mogu ponekad čak i učiniti uređaj potpuno neispravnim pa bi mogao postati opasan za korisnike. To je prvi put postalo zabrinjavajuće pedesetih godina prošlog stoljeća, a prvenstveno je bilo od interesa za vojsku zbog nekoliko značajnih nesreća nastalih uslijed kvarova u plovidbi zbog elektromagnetskih smetnji u navigacijskim sustavima i emisija radara koji su doveli do nenamjernog puštanja oružja. Kao takva, vojska je htjela osigurati da sustavi budu međusobno kompatibilni, a operacije jednog ne utječu na drugo, jer bi to moglo dovesti do smrtnih slučajeva u njihovom zanatu.

Pored vojne primjene, nedavno poboljšanje u rješenjima u vezi s medicinom i zdravljem poput pacemakera i drugih vrsta CIED-ova također je pridonijelo potrebi za EMI propisima jer ometanje ovakvih uređaja može dovesti do situacija opasnih po život.

To su, između ostalih scenarija, ono što dovodi do uspostavljanja EMI interferencijskog standarda i velikog broja uspostavljenih EMC regulatornih tijela.

Što su elektromagnetske smetnje (EMI)?

Elektromagnetske smetnje mogu se definirati kao neželjena elektromagnetska energija koja ometa pravilno funkcioniranje elektroničkog uređaja. Svi elektronički uređaji generiraju određenu količinu elektromagnetskog zračenja, jer struja koja teče kroz njegove krugove i žice nikada nije u potpunosti sadržana. Ova energija iz uređaja "A", koja se širi kroz zrak kao elektromagnetsko zračenje, ili je spojena u (ili provedena duž) I / O ili kabela drugog uređaja "B", mogla bi poremetiti operativnu ravnotežu u uređaju B, što bi uzrokovalo da uređaj kvar ponekad na opasan način. Ova energija iz uređaja A koja ometa rad uređaja B naziva se elektromagnetskim smetnjama .

Smetnje ponekad mogu biti iz prirodnih izvora poput električnih oluja, ali češće su to posljedica djelovanja drugog uređaja u neposrednoj blizini. Iako svi elektronički uređaji generiraju neke EMI-je, određena klasa uređaja poput mobilnih telefona, posebno LED zaslona i motora, vjerojatnije će stvoriti smetnje u usporedbi s drugima. Budući da niti jedan uređaj ne može raditi u izoliranom okruženju, važno je osigurati da se naši uređaji pridržavaju određenih standarda kako bi se osiguralo da smetnje budu svedene na najmanju moguću mjeru. Ti su standardi i propisi poznati kao EMI standard i svaki proizvod / uređaj koji se koristi / prodaje u regijama / državi u kojoj su ti standardi zakonski, mora biti ovjeren prije nego što se može koristiti.

Vrste elektromagnetskih smetnji (EMI)

Prije nego što pogledamo standard i propise, vjerojatno je važno ispitati vrstu EMI-a kako bismo bolje razumjeli vrstu imuniteta koji bi trebao biti ugrađen u vaše proizvode. Elektromagnetske smetnje mogu se svrstati u vrste na temelju nekoliko čimbenika, uključujući;

Izvor EMI
Trajanje EMI
Širina pojasa EMI

Gledat ćemo svaku od ovih kategorija jednu za drugom.

1. Izvor EMI

Jedan od načina kategorizacije EMI-a u vrste je ispitivanje izvora smetnji i načina na koji su nastale. U okviru ove kategorije u osnovi postoje dvije vrste EMI-ja, EMI koji se prirodno javljaju i EMI koji stvara čovjek. Prirodno pojavljuje EMI odnosi na elektromagnetske smetnje koje se javljaju kao rezultat prirodnog fenomena je poput rasvjete, električnih oluja i drugih sličnih pojava. Dok se umjetni EMI, s druge strane, odnosi na EMI koji nastaju kao rezultat aktivnosti drugih elektroničkih uređaja u blizini uređaja (prijamnika) koji imaju smetnje. Primjeri ove vrste EMI-a uključuju, među ostalim, radio frekvencijske smetnje, EMI u zvučnoj opremi.

2. Trajanje smetnji

EMI se također kategoriziraju u vrste na temelju trajanja smetnje, tj. Vremenskog razdoblja tijekom kojeg je došlo do smetnji. Na temelju toga, EMI se obično grupiraju u dvije vrste, kontinuirani EMI i impulsni EMI. Kontinuirano EMI odnosi na same emisije koje se kontinuirano koje emitira izvor. Izvor može biti umjetni ili prirodni, ali smetnje se doživljavaju kontinuirano, sve dok postoji mehanizam spajanja (provodljivost ili zračenje) između EMI izvora i prijamnika. Impulsni EMIje EMI koji se javljaju povremeno ili u vrlo kratkom trajanju. Kao i kontinuirani EMI, Impulzni EMI također može biti prirodan ili umjetni. Primjer uključuje impulsni šum osjetljiv na prekidačima, osvjetljenjima i sličnim izvorima koji mogu emitirati signale koji uzrokuju poremećaj naponske ili strujne ravnoteže povezanih obližnjih sustava.

3. Propusnost EMI

EMI se također mogu kategorizirati u vrste pomoću njihove širine pojasa. Propusnost EMI odnosi se na raspon frekvencija na kojima se EMI doživljava. Na temelju toga EMI se mogu svrstati u uskopojasne EMI i širokopojasne EMI. Uskopojasni EMI obično se sastoji od jednog ili frekvencije uskopojasni frekvencija interferencije, eventualno može biti generiran obliku oscilator ili kao posljedica lažnim signalima nastaju zbog različitih vrsta distorzije na odašiljač. U većini slučajeva obično imaju manji učinak na komunikaciju ili elektroničku opremu i mogu se lako isključiti. Međutim, oni i dalje ostaju moćan izvor smetnji i trebaju se držati u prihvatljivim granicama. Širokopojasni EMISsu EMI koji se ne javljaju na pojedinačnoj / diskretnoj frekvenciji. Oni zauzimaju velik dio magnetskog spektra, postoje u različitim oblicima i mogu nastati iz različitih umjetnih ili prirodnih izvora. Tipični uzroci uključuju lučenje i koronu te predstavlja izvor dobrog postotka EMI problema u digitalnoj podatkovnoj opremi. Dobar primjer prirodne EMI situacije je "Prekid sunca", koji se događa kao rezultat energije sunca koja remeti signal sa komunikacijskog satelita. Ostali primjeri uključuju; EMI kao rezultat neispravnih četkica u motorima / generatorima, lučenja u sustavima paljenja, neispravnih vodova i loših fluorescentnih svjetiljki.

Priroda EMI

EMI, kao što je ranije opisano, su elektromagnetski valovi koji se sastoje od komponenata E (električnog) i H (magnetskog) polja, oscilirajući pod pravim kutom kako je prikazano u nastavku. Svaka od ovih komponenata različito reagira na parametre poput frekvencije, napona, udaljenosti i struje, stoga je presudno razumjeti prirodu EMI-a i znati koja od njih dominira prije nego što se problem može jasno riješiti.

Na primjer, za komponente električnog polja, EMI slabljenje može se poboljšati materijalima s visokom vodljivošću, ali smanjiti materijalima s povećanom propusnošću, što za razliku od toga poboljšava slabljenje za komponentu magnetskog polja. Kao takva, povećana propusnost u sustavu s EMI kojim dominira E-polje smanjit će slabljenje, ali će se slabljenje poboljšati u EMI-ju kojim dominira H-polje. Međutim, zbog nedavnog napretka u tehnologijama koje se koriste u stvaranju elektroničkih komponenata, E-polje je obično glavna komponenta smetnji.

Mehanizmi spajanja EMI

Mehanizam spajanja EMI opisuje kako EMI dolaze od izvora do prijemnika (pogođeni uređaji). Razumijevanje prirode EMI-a zajedno s načinom na koji je povezan s izvorom i prijemnikom ključno je za rješavanje problema. Pokreću se s dvije komponente (H-polje i E-polje), EMI se spajaju od izvora do prijamnika pomoću četiri glavne vrste EMI sprege, koje provode, zrače, kapacitivno spajaju i induktivno spajaju. Pogledajmo mehanizme za spajanje jedan za drugim.

1. Provođenje

Provodna spojnica nastaje kad se EMI emisije provode duž vodiča (žica i kabela) koji povezuju izvor EMI i prijemnika. EMI spojen na ovaj način uobičajen je na vodovima napajanja i obično težak na komponenti H polja. Kondukcijsko spajanje na dalekovodima može biti ili zajedničko provođenje (smetnje se pojavljuju u fazi na + ve i -ve liniji ili tx i rx vodovi) ili diferencijalno vođenje (smetnje se čine izvan faze na dva vodiča). Najpopularnije rješenje smetnji povezane s provođenjem je upotreba filtara i oklopa preko kabela.

2. Zračenje

Zračenje je najpopularniji i najčešće iskusan oblik EMI sprege. Za razliku od provođenja, on ne uključuje nikakvu fizičku vezu između izvora i prijemnika jer se smetnje emitiraju (zrače) kroz prostor prema prijemniku. Dobar primjer zračenja EMI je prethodno spomenuti prekid sunca.

3. Kapacitivna spojnica

To se događa između dva povezana uređaja. Kapacitivna sprega postoji kada promjenjivi napon u izvoru kapacitivno prenosi naboj na žrtvu

4. Induktivna / magnetska spojnica

To se odnosi na vrstu EMI koja nastaje kao rezultat vodiča koji inducira smetnje u drugom vodiču u blizini temeljem principa elektromagnetske indukcije.

Elektromagnetske smetnje i kompatibilnost

Za EMI standard može se reći da je dio regulatornog standarda koji se naziva Elektromagnetska kompatibilnost (EMC). Sadrži popis standarda izvedbe koje uređaji moraju zadovoljiti kako bi pokazali da mogu koegzistirati s drugim uređajima i izvoditi se prema dizajnu, a da pritom ne utječu na performanse ostalih uređaja. Kao takvi EMI standardi u osnovi su dio općih EMC standarda. Iako se nazivi obično koriste naizmjenično, između njih postoji jasna razlika, ali to će biti pokriveno u sljedećem članku.

Različite zemlje i kontinenti / ekonomske zone imaju različite varijacije ovih standarda, ali u ovom ćemo članku razmotriti standarde Federalne komisije za komunikacije (FCC). Prema dijelu 15 naslova 47: Telekomunikacije, FCC standarda, koji regulira "nenamjernu" radio frekvenciju, postoje dvije klase uređaja; Razred A i B.

Uređaji klase A su uređaji koji su namijenjeni za uporabu u industriji, uredima, svugdje drugdje, osim za domove, dok su uređaji klase B uređaji namijenjeni za kućnu upotrebu, bez obzira na njihovu upotrebu u drugim okruženjima.

Što se tiče provodljivih emisija, za uređaje klase B namijenjene za upotrebu u kući, očekuje se da će emisije biti ograničene na vrijednosti prikazane u donjoj tablici. Sljedeće su informacije preuzete s web stranice Elektroničkog kodeksa saveznih propisa.

Za uređaje klase A ograničenja su;

Za zračene zračenja očekuje se da uređaji klase A ostanu unutar donjeg ograničenja za određene frekvencije;

Frekvencija (MHz)	µV / m
30 do 88	100
88 do 216	150
216 do 960	200
960 i više	500

Iako su za uređaje klase B ograničenja;

Frekvencija (MHz)	µV / m
30 do 88	90
88 do 216	150
216 do 960	210
960 i više	300

Više informacija o tim standardima može se naći na stranici različitih regulatornih tijela.

Za poštivanje ovih EMC standarda za uređaje potrebna je EMI zaštita na četiri razine: na razini pojedinačne komponente, na razini ploče / PCB-a, na razini sustava i na ukupnoj razini sustava. Da bi se to postiglo, dvije glavne mjere; Obično se koriste elektromagnetska zaštita i uzemljenje, iako se koriste i druge važne mjere poput filtriranja. Zbog zatvorene prirode većine elektroničkih uređaja, EMI zaštita obično se primjenjuje na razini sustava kako bi sadržavala i zračene i provedene EMI kako bi se osigurala usklađenost s EMC standardima. Kao takvi, razmatrat ćemo praktična razmatranja oko zaštite kao mjere za zaštitu EMI.

Elektromagnetsko oklopljenje - zaštitite svoj dizajn od EMI

Zaštita je jedna od glavnih mjera donesenih za smanjenje EMI u elektroničkim proizvodima. Podrazumijeva upotrebu metalnog kućišta / oklopa za elektroniku ili kabele. U određenoj opremi / situacijama kada je zaštita cijelog proizvoda možda preskupa ili nepraktična, zaštićene su najkritičnije komponente koje bi mogle biti EMI izvor / sudoper. To je osobito često u većini prethodno certificiranih komunikacijskih modula i čipova.

Fizičko oklopljenje smanjuje EMI slabljenjem (slabljenjem) EMI signala refleksijom i apsorpcijom njegovih valova. Metalni su štitovi konstruirani na takav način da on može reflektirati komponentu E-polja, a posjeduje visoku magnetsku propusnost da apsorbira komponentu H-polja EMI. U kabelima su signalne žice okružene vanjskim vodljivim slojem koji je uzemljen na jednom ili oba kraja, dok za kućišta provodno metalno kućište djeluje kao interferencijski štit.

U idealnom slučaju, savršeno EMC kućište bilo bi ono izrađeno od gustog materijala poput čelika, potpuno zapečaćeno sa svih strana bez kabela, tako da val ne ulazi ili izlazi, ali nekoliko razloga, poput potrebe, niske cijene kućišta, upravljanja toplinom, kabeli za održavanje, napajanje i podatke, čine takve ideale nepraktičnim. S obzirom na to da je svaka od rupa stvorena, budući da su te potrebe potencijalne ulazne / izlazne točke za EMI, dizajneri su prisiljeni poduzeti nekoliko mjera kako bi osigurali da ukupne performanse uređaja na kraju dana još uvijek budu u dopuštenim rasponima EMC standarda.

Praktična razmatranja zaštite

Kao što je gore spomenuto, potrebno je nekoliko praktičnih razmatranja kada se štiti kućišta ili zaštitni kabeli. Za proizvode s kritičnim EMI mogućnostima (zdravstvo, zrakoplovstvo, energetika, komunikacija, vojska i tako dalje), važno je da timovi za dizajn proizvoda čine osobe s relevantnim iskustvom u zaštiti i općenitim EMI situacijama. Ovaj će odjeljak pružiti širok pregled nekih mogućih savjeta ili EMI zaštite.

1. Dizajn ormara i kućišta

Kao što je gore spomenuto, nemoguće je dizajnirati kućišta bez određenih otvora koji bi poslužili kao ventilacijske rešetke, rupe za kabele, vrata i među ostalim kao što su prekidači. Ovi otvori na kućištima, bez obzira na njihovu veličinu ili oblik, kroz koje EM val može ući u orman ili izaći iz njega, EMI terminima, nazivaju se prorezima. Prorezi moraju biti projektirani na takav način da ih njihova duljina i orijentacija u odnosu na RFI frekvenciju ne pretvaraju u valovod, dok bi njihova veličina i raspored u slučaju ventilacijskih rešetki trebali održavati pravu ravnotežu između protoka zraka potrebnog za održavanje toplinskih zahtjeva kruga i sposobnost upravljanja EMI na temelju potrebnog slabljenja signala i uključene RFI frekvencije.

U kritičnim primjenama poput vojne opreme, prorezi poput vrata itd. Obično su prekriveni specijaliziranim brtvama pod nazivom EMI brtve. Dolaze u različitim vrstama, uključujući pletene žičane mreže i metalne spiralne brtve, ali prije odabira brtve uzima se u obzir nekoliko čimbenika dizajna (obično trošak / korist). Sveukupno, broj utora trebao bi biti što manji, a veličina trebala biti što manja.

2. Kablovi

Određena kućišta mogu biti potrebna da imaju kabelske otvore; to se također mora uzeti u obzir u dizajnu kućišta. U

Osim toga, kabeli također služe kao sredstvo za provođenje EMI-a kao takvi u kritičnoj opremi, kabeli koriste pleteni štit koji se zatim uzemljuje. Iako je ovaj pristup skup, učinkovitiji je. Međutim, u jeftinim situacijama rješenja s police, poput feritnih zrnaca, postavljaju se na određena mjesta na rubu kabela. Na razini ploče PCB, filtri su također implementirani duž ulaznih dalekovoda.

Najbolji postupci za polaganje EMI testova

Neke od praksi dizajniranja EMI-a, posebno na razini ploče, kako bi se EMI kontrolirao uključuju;

Koristite prethodno certificirane module. Pogotovo za komunikaciju, upotreba već certificiranih modula smanjuje količinu posla koji tim mora obaviti u zaštiti i smanjuje troškove certificiranja vašeg proizvoda. Savjet za profesionalce: Umjesto da dizajnirate novo napajanje za svoj projekt, projektirajte ga tako da bude kompatibilan s postojećim napajanjem. To vam štedi troškove pri ovjeri napajanja.
Neka trenutne petlje budu malene. Sposobnost vodiča da povezuje energiju indukcijom i zračenjem smanjuje se manjom petljom koja djeluje kao antena
Za parove tragova bakrenih ploča s tiskanim krugovima koristite široke tragove (male impedancije) poravnate jedan iznad drugog i ispod njih.
Locirajte filtre na izvoru smetnji, u osnovi što bliže modulu napajanja. Vrijednosti komponenata filtra treba odabrati s obzirom na željeni raspon frekvencije slabljenja. Kao primjer, kondenzatori sami rezoniraju na određenim frekvencijama, izvan kojih djeluju induktivno. Neka zaobilazni vodi kondenzatora budu što kraći.
Postavite komponente na PCB uzimajući u obzir blizinu izvora buke potencijalno osjetljivim krugovima.
Pozicija decoupling kondenzatora što bliže do pretvarača, posebice X i Y kondenzatora.
Koristite ravnine uzemljenja kad je to moguće kako biste minimalizirali zračeno povezivanje, smanjili površinu poprečnog presjeka osjetljivih čvorova i smanjili površinu poprečnog presjeka čvorova velike struje koji mogu zračiti, poput onih iz kondenzatora uobičajenog načina rada.
Uređaji za površinsko montiranje (SMD) bolji su od olovnih uređaja u radu s RF energijom zbog smanjenih induktiviteta i dostupnih bližih komponenata.

Sve u svemu, važno je imati osobe s ovim dizajnerskim iskustvom u svom timu tijekom razvojnog procesa, jer pomaže uštedjeti troškove certificiranja, a također osigurava stabilnost i pouzdanost vašeg sustava i njegovih performansi.