Elektromagnetisk störning (emi) - typer, standarder och avskärmningstekniker

Certifiering är vanligtvis ett av de dyraste och tråkigaste stadierna under utvecklingen av en ny hårdvaruprodukt. Det hjälper myndigheterna att veta att produkten följer alla fastställda lagar och riktlinjer för funktionerna. På detta sätt kan prestandan för den specifika produkten säkerställas för att förhindra faror och skada användarna. Så tråkigt som det här steget vanligtvis är, är det viktigt för produktföretagen att planera detta före hand för att upphäva sista minuten-komplexiteten. För dagens artikel kommer vi att titta på EMI Design Standardvilket är en mycket vanlig praxis som designers måste tänka på för att utveckla kvalitetsprodukter. Vi kommer att titta på EMI i detalj och undersöka dess typer, natur, specifikationer och standarder, kopplings- och skärmningsmekanismer och bästa praxis för att klara EMI-tester.

EMI-standarder - Hur började det hela?

Den EMI (elektromagnetisk interferens) standard skapades ursprungligen för att skydda elektroniska kretsar från elektromagnetiska störningar som kan hindra dem från att utföra det sätt de var ursprungligen avsedd att vara. Dessa störningar kan ibland till och med göra att enheten inte fungerar så bra att den kan bli farlig för användarna. Det blev först ett bekymmer på 1950-talet och var främst av intresse för militären på grund av några få anmärkningsvärda olyckor till följd av navigationsfel på grund av elektromagnetisk störning i navigationssystem och radarutsläpp som ledde till oavsiktlig frigöring av vapen. Som sådan ville militären försäkra sig om att systemen var kompatibla med varandra och att den ena inte påverkar den andra eftersom det kan leda till dödsfall i deras hantverk.

Bortsett från militära applikationer, nyligen framsteg inom medicin- och hälsorelaterade lösningar som pacemakers och andra typer av CIED, har också bidragit till behovet av EMI-regler eftersom störningar i sådana enheter kan leda till livshotande situationer.

Dessa bland andra scenarier är vad som leder till upprättandet av EMI-interferensstandarden och med det stora antalet EMC-regleringsorgan som har inrättats.

Vad är elektromagnetisk störning (EMI)?

Elektromagnetisk störning kan definieras som oönskad elektromagnetisk energi som stör en elektronisk enhets funktion. Alla elektroniska enheter genererar en viss mängd elektromagnetisk strålning eftersom den ström som strömmar genom dess kretsar och ledningar aldrig är helt innesluten. Denna energi från enhet "A", antingen som förökas genom luften som elektromagnetisk strålning, eller kopplas till (eller leds längs) I / O eller kablar till en annan enhet "B", kan störa driftsbalansen i enhet B och orsaka att enheten sluta fungera ibland på ett riskfyllt sätt. Denna energi från anordning A som stör driften av anordning B kallas elektromagnetisk störning .

Störningen kan någon gång till och med komma från en naturlig källa som elektriska stormar, men oftare är det vanligtvis som ett resultat av åtgärder från en annan enhet i närheten. Medan alla elektroniska enheter genererar vissa EMI: er, är det mer sannolikt att en viss klass av enheter som mobiltelefoner, LED-displayer och motorer genererar störningar jämfört med andra. Eftersom ingen enhet kan fungera i en isolerad miljö är det viktigt att se till att våra enheter följer vissa standarder för att säkerställa att störningar hålls på det minsta möjliga. Dessa standarder och förordningar kallas EMI-standarden och varje produkt / enhet som ska användas / säljas i regioner / länder där dessa standarder är lagliga måste vara certifierad innan de kan användas.

Typer av elektromagnetisk störning (EMI)

Innan vi tittar på standarden och reglerna är det förmodligen viktigt att undersöka vilken typ av EMI för att bättre förstå vilken typ av immunitet som ska byggas in i dina produkter. Elektromagnetisk störning kan kategoriseras i typer baserat på flera faktorer inklusive;

EMI-källa
EMI: s varaktighet
EMI: s bandbredd

Vi kommer att titta på var och en av dessa kategorier efter varandra.

1. EMI-källa

Ett sätt att kategorisera EMI i typer är att undersöka källan till störningen och hur den skapades. Inom denna kategori finns det i princip två typer av EMI: er, naturligt förekommande EMI och konstgjorda EMI. Den naturligt förekommande EMI hänvisar till elektromagnetiska störningar som uppstår som ett resultat av naturfenomen som belysning, elektriska stormar och andra liknande händelser. Medan konstgjorda EMI å andra sidan hänvisar till EMI som uppstår som ett resultat av aktiviteterna för andra elektroniska enheter i närheten av enheten (mottagaren) som upplever störningar. Exempel på denna typ av EMI inkluderar radiofrekvensstörning, EMI i ljudutrustning bland andra.

2. Interferensens varaktighet

EMI kategoriseras också i typer baserat på interferensens varaktighet, dvs. den tidsperiod som interferensen upplevdes för. Baserat på detta grupperas EMI vanligtvis i två typer, kontinuerlig EMI och impuls EMI. Den Kontinuerlig EMI avser institut för elektroniska pengar som kontinuerligt sänds ut av en källa. Källan kan vara konstgjord eller naturlig, men störningarna upplevs kontinuerligt så länge det finns en kopplingsmekanism (ledning eller strålning) mellan EMI-källan och mottagaren. Impulse EMIär EMI som uppträder intermittent eller inom en mycket kort varaktighet. Liksom de kontinuerliga EMI: erna kan Impulse EMI också vara naturligt förekommande eller konstgjorda. Exempel inkluderar impulsljud som upplevs från omkopplare, belysning och liknande källor som kan avge signaler som orsakar störningar i spännings- eller strömjämvikten hos anslutna närliggande system.

3. EMI: s bandbredd

EMI kan också kategoriseras i typer med hjälp av deras bandbredd. Bandbredden för en EMI hänvisar till frekvensområdet som EMI upplevs på. Baserat på detta kan EMI kategoriseras i smalband EMI och bredband EMI. Den Narrowband EMI består typiskt av en enda frekvens eller ett smalbandsinterferensfrekvenser, eventuellt genereras av en form av oscillator eller som en följd av falska signaler som uppträder på grund av olika typer av distorsion i en sändare. I de flesta fall har de vanligtvis en mindre effekt på kommunikation eller elektronisk utrustning och kan enkelt ställas in. De förblir dock en potent källa till störningar och bör hållas inom acceptabla gränser. Den Broadband institut för elektroniska pengarär EMI som inte förekommer vid enstaka / diskreta frekvenser. De upptar en stor del av det magnetiska spektrumet, finns i olika former och kan uppstå från olika konstgjorda eller naturliga källor. Typiska orsaker är ljusbågar och korona och det representerar källan till en god andel EMI-problem i digital datautrustning. Ett bra exempel på en naturligt förekommande EMI-situation är "Sun Outage", som uppstår till följd av att solenergin bryter signalen från en kommunikationssatellit. Andra exempel inkluderar; EMI till följd av felaktiga borstar i motorer / generatorer, bågar i tändsystem, defekta kraftledningar och dåliga lysrör.

EMI: s natur

EMI som beskrivits tidigare är elektromagnetiska vågor som består av både E (elektriska) och H (magnetiska) fältkomponenter, som svänger i rät vinkel mot varandra enligt nedan. Var och en av dessa komponenter svarar olika på parametrar som frekvens, spänning, avstånd och ström, det är därför viktigt att förstå EMI: s natur, att veta vilken av dem som är dominerande innan problemet tydligt kan hanteras.

Till exempel, för elektriska fältkomponenter kan EMI-dämpning förbättras via material med hög ledningsförmåga, men reduceras av material med ökad permeabilitet, vilket däremot förbättrar dämpning för magnetfältkomponenten. Som sådan kommer ökad permeabilitet i ett system med E-fältdominerat EMI att minska dämpningen men dämpningen kommer att förbättras i ett H-fältdominerat EMI. Men på grund av de senaste framstegen inom teknik som används för att skapa elektroniska komponenter är E-fältet vanligtvis den största komponenten i störningen.

EMI-kopplingsmekanismer

EMI-kopplingsmekanism beskriver hur EMI: erna kommer från källan till mottagaren (berörda enheter). Att förstå EMI: s natur och hur den kopplas från källan till mottagaren är nyckeln till att lösa problemet. Drivs av de två komponenterna (H-fält och E-fält), är EMI kopplade från en källa till en mottagare via fyra huvudtyper av EMI-koppling, de leder, strålning, kapacitiv koppling och induktiv koppling. Låt oss ta en titt på kopplingsmekanismerna efter varandra.

1. Ledning

Ledningskoppling uppstår när EMI-utsläpp passeras längs ledare (ledningar och kablar) som ansluter EMI-källan och mottagaren. EMI kopplat på detta sätt är vanligt på strömförsörjningsledningarna och vanligtvis tungt på H-fältkomponenten. Ledningskoppling på kraftledningar kan antingen vara ledning i Common Mode (störningen visas i fas på + ve och -ve-linjen eller tx- och rx-linjerna) eller Differential Mode-ledning (störningen verkar ur fas på två ledare). Den mest populära lösningen på ledningskopplad störning är användningen av filter och skärm över kablar.

2. Strålning

Strålningskoppling är den mest populära och mest erfarna formen av EMI-koppling. Till skillnad från ledning involverar det ingen fysisk förbindelse mellan källan och mottagaren eftersom störningen utsänds (utstrålas) via rymden till mottagaren. Ett bra exempel på utstrålad EMI är det tidigare nämnda solavbrottet.

3. Kapacitiv koppling

Detta sker mellan två anslutna enheter. Kapacitiv koppling existerar när en förändrad spänning i källan kapacitivt överför en laddning till offret

4. Induktiv / magnetisk koppling

Detta hänvisar till den typ av EMI som uppstår som ett resultat av en ledare som inducerar störningar i en annan ledare i närheten baserat på principerna för elektromagnetisk induktion.

Elektromagnetisk störning och kompatibilitet

EMI-standarden kan sägas vara en del av den föreskrivna standarden som kallas elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Den innehåller en lista över prestandastandarder som enheter måste uppfylla för att visa att de kan samexistera med andra enheter och fungera som designade utan att även påverka de andra enheternas prestanda. Som sådan ingår EMI-standarder i huvudsak i de allmänna EMC-standarderna. Medan namnen vanligtvis används omväxlande finns det en tydlig skillnad mellan dem men detta kommer att behandlas i en uppföljningsartikel.

Olika länder och kontinenter / ekonomiska zoner, har olika variationer av dessa standarder men för denna artikel kommer vi att överväga Federal Communications Commission (FCC) standarder. Enligt del 15 i avdelning 47: Telekommunikation, i FCC-standarderna, som reglerar ”oavsiktlig” radiofrekvens, finns det två klasser av enheter; Klass A och B.

Klass A-enheter är enheter som är avsedda för användning i industri, kontor, överallt utom hem, medan CLass B-enheter är enheter avsedda för hemmabruk, trots att de används i andra miljöer.

När det gäller ledningskopplade utsläpp förväntas utsläpp för klass B-enheter avsedda att användas i hemmet vara begränsade till de värden som visas i tabellen nedan. Följande information erhålls från den elektroniska koden för den federala webbplatsen.

För enheter i klass A är gränserna:

För utstrålade utsläpp förväntas klass A- enheter ligga inom gränsen nedan för de angivna frekvenserna.

Frekvens (MHz)	^ V / m
30 till 88	100
88 till 216	150
216 till 960	200
960 och högre	500

Medan för klass B- enheter är gränserna;

Frekvens (MHz)	^ V / m
30 till 88	90
88 till 216	150
216 till 960	210
960 och högre	300

Mer information om dessa standarder finns på sidan för de olika tillsynsorganen.

För att uppfylla dessa EMC-standarder för enheter krävs EMI-skydd på fyra nivåer: individuell komponentnivå, kort / PCB-nivå, systemnivå och övergripande systemnivå. För att uppnå detta, två viktiga åtgärder; Elektromagnetisk skärmning och jordning används vanligtvis, även om andra viktiga åtgärder som filtrering också används. På grund av den inneslutna karaktären hos de flesta elektroniska enheter används EMI-skärmning vanligtvis på systemnivå för att innehålla både utstrålade och ledda EMI för att säkerställa överensstämmelse med EMC-standarder. Som sådan kommer vi att titta på praktiska överväganden kring avskärmning som ett mått för EMI-skydd.

Elektromagnetisk skärmning - Skydda din design från EMI

Skärmning är en av de viktigaste åtgärderna för att minska EMI i elektroniska produkter. Det handlar om att använda en metallhölje / skärm för elektroniken eller kablarna. I vissa utrustningar / situationer där avskärmning av hela produkten kan vara för dyr eller opraktisk, är de mest kritiska komponenterna som kan vara en EMI-källa / diskbänk avskärmade. Detta är särskilt vanligt i de flesta förcertifierade kommunikationsmoduler och chips.

Fysisk skärmning minskar EMI genom att dämpa (försvaga) EMI-signaler genom reflektion och absorption av dess vågor. Metalliska skärmar är utformade på ett sådant sätt att den kan reflektera E-fältkomponenten samtidigt som den har en hög magnetisk permeabilitet för att absorbera H-fältkomponenten i EMI. I kablar omges signaltrådarna av ett yttre ledande skikt som är jordat i ena eller båda ändarna, medan för kapslingar fungerar ett ledande metallhus som en störningsskärm.

Idealiskt skulle den perfekta EMC-kapslingen vara tillverkad av ett tätt material som stål, helt förseglat på alla sidor utan kablar så ingen våg färdas in eller ut, men flera överväganden, som behovet av, låga kostnader för kapslingar, värmebehandling, bland annat underhålls-, kraft- och datakablar gör sådana ideal opraktiska. Med vart och ett av hålen skapade, eftersom dessa behov är en potentiell in- / utgångsplats för EMI, tvingas konstruktörer att vidta flera åtgärder för att säkerställa att enhetens övergripande prestanda fortfarande ligger inom tillåtna intervall för EMC-standarden i slutet av dagen.

Skyddande praktiska överväganden

Som nämnts ovan krävs flera praktiska överväganden vid skärmning med kapslingar eller skärmkablar. För produkter med kritiska EMI-möjligheter (hälsa, luftfart, makt, kommunikation, militär och så vidare) är det viktigt att produktdesignteam består av individer med relevant erfarenhet av skärmning och allmänna EMI-situationer. Detta avsnitt ger en bred översikt över några av de möjliga tipsen eller EMI-skärmning.

1. Skåp och kapsling design

Som nämnts ovan är det omöjligt att utforma höljen utan vissa öppningar för att fungera som ventilationsgaller, kabelhål, dörrar och för saker som brytare bland annat. Dessa öppningar på höljen, oberoende av deras storlek eller form, genom vilka en EM-våg kan komma in eller ut ur höljet, i EMI-termer, kallas slitsar. Slitsar måste utformas på ett sådant sätt att deras längd och orientering i förhållande till RFI-frekvensen inte förvandlar dem till en vågledare, medan deras storlek och placering när det gäller ventilationsgaller bör upprätthålla en rätt balans mellan luftflödet som krävs för att upprätthålla termiska krav av kretsarna och förmågan att styra EMI baserat på den signaldämpning som krävs och den involverade RFI-frekvensen.

I kritiska applikationer som militär utrustning är slitsar som dörrar etc. vanligtvis snörade med specialpackningar som kallas EMI-packningar. De finns i olika typer inklusive stickat trådnät och metalliska spiralpackningar men flera designfaktorer (vanligtvis kostnad / fördel) övervägs innan valet av packning görs. Sammantaget bör antalet kortplatser vara så lite som möjligt och storleken bör vara så liten som möjligt.

2. Kablar

Vissa höljen kan krävas för att ha kabelöppningar; detta måste också beaktas i kapslingsdesignen. I

Bortsett från detta fungerar kablar också som ett medel för ledda EMI som sådana i kritisk utrustning, kablar använder en flätad skärm som sedan jordas. Även om detta tillvägagångssätt är dyrt är det mer effektivt. I lågkostnadssituationer placeras dock hylllösningar som ferritpärlor på specifika platser vid kablarnas kant. På PCB-kortnivå implementeras också filter längs ingångskraftledningar.

Bästa metoder för att klara EMI-tester

Några av EMI-designpraxis, särskilt på styrelsenivå, för att hålla EMI i schack inkluderar;

Använd förcertifierade moduler. Speciellt för kommunikation minskar användningen av redan certifierade moduler mängden arbete teamet behöver göra för att skydda och minskar kostnaden för certifiering för din produkt. Proffstips: I stället för att utforma en ny strömförsörjning för ditt projekt, designa projektet så att det är kompatibelt med befintliga strömförsörjningar. Detta sparar kostnader för att certifiera strömförsörjningen.
Håll strömslingorna små. En ledares förmåga att koppla energi genom induktion och strålning sänks med en mindre slinga som fungerar som en antenn
För par av kopparkortspår (PC), använd breda (lågimpedans) spår som är inriktade ovanför och under varandra.
Leta upp filter vid störningskällan, i princip så nära strömmodulen som möjligt. Filterkomponentvärden bör väljas med tanke på önskat dämpningsfrekvensområde. Som ett exempel resonerar kondensatorer vid vissa frekvenser, utöver vilka de fungerar induktiva. Håll bypasskondensatorledningarna så korta som möjligt.
Placera komponenter på kretskortet med beaktande av att bullerkällor ligger nära potentiellt känsliga kretsar.
Läge frikoppling kondensatorer som nära som möjligt till omvandlaren, särskilt X och Y-kondensatorer.
Använd markplan när det är möjligt för att minimera utstrålad koppling, minimera tvärsnittsarean för känsliga noder och minimera tvärsnittsarean för högströmsnoder som kan utstråla såsom de från vanliga modekondensatorer
Ytmonterade enheter (SMD) är bättre än blyade enheter när de hanterar RF-energi på grund av de reducerade induktanserna och närmare komponentplaceringar som finns tillgängliga.

Sammantaget är det viktigt att ha individer med dessa designupplevelser i ditt team under utvecklingsprocessen eftersom det hjälper till att spara kostnader vid certifiering och också säkerställer stabiliteten och tillförlitligheten i ditt system och dess prestanda.