- Стандарты EMI - как все началось?
- Что такое электромагнитные помехи (EMI)?
- Типы электромагнитных помех (EMI)
- Природа EMI
- Механизмы сцепления EMI
- Электромагнитные помехи и совместимость
- Электромагнитное экранирование - защитите вашу конструкцию от EMI
- Практические соображения по экранированию
- Рекомендации по прохождению тестов EMI
Сертификация обычно является одним из самых дорогих и утомительных этапов разработки нового аппаратного продукта. Это помогает властям узнать, что продукт соответствует всем установленным законам и руководствам в отношении функций. Таким образом, производительность этого конкретного продукта может быть гарантирована для предотвращения опасностей и вреда для его пользователей. Каким бы утомительным ни был этот этап, для продуктовых компаний важно спланировать его заранее, чтобы избежать сложностей в последнюю минуту. В сегодняшней статье мы рассмотрим Стандарт проектирования EMI.Это очень распространенная практика, о которой дизайнеры должны помнить, чтобы разрабатывать качественные продукты. Мы подробно рассмотрим EMI и рассмотрим его типы, природу, спецификации и стандарты, механизмы связи и экранирования, а также передовые методы прохождения тестов EMI.
Стандарты EMI - как все началось?
Стандарт EMI (электромагнитные помехи) был первоначально создан для защиты электронных схем от электромагнитных помех, которые могут помешать им работать так, как они были изначально разработаны. Эти помехи могут иногда даже привести к тому, что устройство полностью выйдет из строя, что может стать опасным для пользователей. Впервые это стало проблемой в 1950-х годах и представляло интерес в первую очередь для военных из-за нескольких заметных аварий, связанных с отказами навигации из-за электромагнитных помех в навигационных системах, а также радиолокационных излучений, приводящих к непреднамеренному выбросу оружия. Таким образом, военные хотели убедиться, что системы совместимы друг с другом, и что работа одной из них не влияет на работу другой, поскольку это может привести к гибели их корабля.
Помимо военных приложений, недавние достижения в области медицины и здравоохранения, такие как кардиостимуляторы и другие типы CIED, также внесли свой вклад в потребность в правилах EMI, поскольку вмешательство в такие устройства может привести к опасным для жизни ситуациям.
Эти среди других сценариев - это то, что привело к установлению стандарта помех EMI и появлению большого числа регулирующих органов EMC.
Что такое электромагнитные помехи (EMI)?
Электромагнитные помехи можно определить как нежелательную электромагнитную энергию, которая нарушает правильное функционирование электронного устройства. Все электронные устройства генерируют некоторое количество электромагнитного излучения, поскольку электричество, протекающее по его цепям и проводам, никогда полностью не сдерживается. Эта энергия от устройства «A», распространяющаяся по воздуху в виде электромагнитного излучения, или передаваемая (или проводимая) в ввод / вывод или кабели другого устройства «B», может нарушить операционный баланс в устройстве B, в результате чего устройство неисправность иногда опасным образом. Эта энергия от устройства A, мешающая работе устройства B, называется электромагнитными помехами .
Иногда помехи могут возникать даже из-за естественного источника, такого как электрические бури, но чаще всего они возникают в результате действий другого устройства в непосредственной близости. Хотя все электронные устройства генерируют некоторые электромагнитные помехи, определенный класс устройств, таких как мобильные телефоны, светодиодные дисплеи и особенно двигатели, с большей вероятностью будет создавать помехи по сравнению с другими. Поскольку ни одно устройство не может работать в изолированной среде, важно обеспечить соответствие наших устройств определенным стандартам, чтобы свести к минимуму помехи. Эти стандарты и правила известны как стандарт EMI, и каждый продукт / устройство, которое будет использоваться / продаваться в регионах / стране, где эти стандарты являются законами, должны быть сертифицированы, прежде чем их можно будет использовать.
Типы электромагнитных помех (EMI)
Прежде чем мы рассмотрим стандарты и правила, вероятно, важно изучить тип EMI, чтобы лучше понять, какой тип защиты должен быть встроен в ваши продукты. Электромагнитные помехи можно разделить на типы на основе нескольких факторов, включая:
- Источник EMI
- Продолжительность EMI
- Пропускная способность EMI
Мы рассмотрим каждую из этих категорий одну за другой.
1. Источник EMI
Один из способов категоризации EMI по типам - изучить источник помех и то, как они были созданы. В этой категории есть два основных типа электромагнитных помех: естественные электромагнитные помехи и электромагнитные помехи, созданные человеком. Природное происхождение EMI относится к электромагнитным помехам, которые возникают в результате природного явления как освещение, электрические бури и других подобных явления. В то время как искусственные электромагнитные помехи, с другой стороны, относятся к электромагнитным помехам, которые возникают в результате действий других электронных устройств в непосредственной близости от устройства (приемника), испытывающего помехи. Примеры этого типа EMI включают, среди прочего, радиочастотные помехи, EMI в звуковом оборудовании.
2. Продолжительность вмешательства
EMI также подразделяются на типы в зависимости от продолжительности помех, т. Е. Периода времени, в течение которого они возникали. Исходя из этого, электромагнитные помехи обычно делятся на два типа: непрерывные электромагнитные помехи и импульсные электромагнитные помехи. Непрерывные электромагнитные помехи относятся к EMIs, которые непрерывно испускаемому источником. Источник может быть искусственным или естественным, но помехи возникают постоянно, пока существует механизм связи (проводимость или излучение) между источником электромагнитных помех и приемником. Импульсный EMIэто электромагнитные помехи, которые возникают периодически или в течение очень короткого времени. Как и непрерывные электромагнитные помехи, импульсные электромагнитные помехи могут быть естественными или искусственными. Пример включает в себя импульсный шум от переключателей, осветительных приборов и подобных источников, которые могут излучать сигналы, вызывающие нарушение равновесия напряжения или тока в подключенных соседних системах.
3. Полоса пропускания EMI
EMI также можно разделить на типы, используя их пропускную способность. Полоса пропускания EMI относится к диапазону частот, на котором возникают EMI. Исходя из этого, EMI можно разделить на узкополосные EMI и широкополосные EMI. Узкополосная ЭЙ, как правило, состоит из одной частоты или узкополосных частот помех, возможно, генерируются с помощью генератора формы или в результате паразитных сигналов, возникающих из - за различные виды искажений в передатчике. В большинстве случаев они обычно незначительно влияют на связь или электронное оборудование и могут быть легко отключены. Однако они остаются мощным источником помех и должны оставаться в допустимых пределах. Broadband EMIsявляются электромагнитными помехами, которые не возникают на отдельных / дискретных частотах. Они занимают большую часть магнитного спектра, существуют в разных формах и могут возникать из разных искусственных или природных источников. Типичные причины включают искрение и коронный разряд, и это является источником большого процента проблем с электромагнитными помехами в оборудовании для цифровых данных. Хорошим примером естественной ситуации с электромагнитными помехами является «сбой на солнце», который возникает в результате того, что энергия солнца нарушает сигнал со спутника связи. Другие примеры включают; EMI в результате неисправных щеток в двигателях / генераторах, дуги в системах зажигания, неисправных линий электропередач и неисправных люминесцентных ламп.
Природа EMI
EMI, как описано ранее, представляют собой электромагнитные волны, состоящие из компонентов E (электрического) и H (магнитного) поля, колеблющиеся под прямым углом друг к другу, как показано ниже. Каждый из этих компонентов по-разному реагирует на такие параметры, как частота, напряжение, расстояние и ток, поэтому очень важно понимать природу электромагнитных помех, чтобы знать, какой из них является доминирующим, прежде чем проблема будет решена.
Например, для компонентов электрического поля ослабление электромагнитных помех может быть улучшено с помощью материалов с высокой проводимостью, но уменьшено с помощью материалов с повышенной проницаемостью, что, напротив, улучшает затухание для компонента магнитного поля. Таким образом, повышенная проницаемость в системе с преобладанием EMI в E-поле уменьшит затухание, но затухание улучшится в EMI с преобладанием H-поля. Однако из-за последних достижений в технологиях, используемых при создании электронных компонентов, E-поле обычно является основным компонентом помех.
Механизмы сцепления EMI
Механизм EMI Coupling описывает, как EMI передаются от источника к приемнику (затронутым устройствам). Понимание природы электромагнитных помех и того, как они передаются от источника к приемнику, является ключом к решению проблемы. Электромагнитные помехи, питаемые двумя компонентами (H-полем и E-полем), передаются от источника к приемнику через четыре основных типа EMI-связи: проводимость, излучение, емкостная связь и индуктивная связь. Давайте посмотрим на механизмы сцепления один за другим.
1. Проведение
Связь по проводимости возникает, когда электромагнитные помехи проходят по проводникам (проводам и кабелям), соединяющим источник электромагнитных помех и приемник. Связанные таким образом электромагнитные помехи являются обычным явлением в линиях электропитания и обычно сильно влияют на составляющую H-поля. Проводимость Связь на линиях электропередачи может быть либо синфазной проводимостью (помеха появляется синфазно на линиях + ve и -ve или линиях tx и rx), либо проводимостью в дифференциальном режиме (помехи появляются в противофазе на двух проводниках). Наиболее популярным решением для устранения помех, связанных с проводимостью, является использование фильтров и экрана поверх кабелей.
2. Радиация
Радиационная связь - самая популярная и широко используемая форма связи электромагнитных помех. В отличие от проводимости, он не предполагает какого-либо физического соединения между источником и приемником, поскольку помеха излучается (излучается) через пространство к приемнику. Хорошим примером излучаемых электромагнитных помех является упомянутое ранее отключение солнечного света.
3. Емкостная связь.
Это происходит между двумя подключенными устройствами. Емкостная связь существует, когда изменяющееся напряжение в источнике емкостно передает заряд жертве.
4. Индуктивная / магнитная связь.
Это относится к типу электромагнитных помех, которые возникают в результате того, что проводник вызывает помехи в другом проводнике, находящемся поблизости, на основе принципов электромагнитной индукции.
Электромагнитные помехи и совместимость
Можно сказать, что стандарт EMI является частью нормативного стандарта, называемого электромагнитной совместимостью (EMC). Он содержит список стандартов производительности, которым устройства должны соответствовать, чтобы показать, что они могут сосуществовать с другими устройствами и работать в соответствии с проектом, не влияя при этом на производительность других устройств. Таким образом, стандарты EMI являются частью общих стандартов EMC. Хотя имена обычно используются как синонимы, между ними существует явная разница, но это будет рассмотрено в следующей статье.
Разные страны и континенты / экономические зоны имеют разные варианты этих стандартов, но в этой статье мы будем рассматривать стандарты Федеральной комиссии по связи (FCC). Согласно Части 15 Раздела 47 «Телекоммуникации» стандартов FCC, который регулирует «непреднамеренную» радиочастоту, существует два класса устройств; Класс А и Б.
Устройства класса A - это устройства, предназначенные для использования в промышленности, офисах, везде, кроме дома, а устройства класса B - это устройства, предназначенные для домашнего использования, несмотря на их использование в других средах.
Что касается выбросов, связанных с проводимостью, для устройств класса B, предназначенных для использования в домашних условиях, ожидается, что выбросы будут ограничены значениями, указанными в таблице ниже. Следующая информация получена с веб-сайта Электронного кодекса федерального законодательства.
Для устройств класса A ограничения:
Что касается излучаемых излучений, ожидается, что устройства класса A останутся в пределах, указанных ниже, для указанных частот;
Частота (МГц) |
мкВ / м |
От 30 до 88 |
100 |
88 по 216 |
150 |
216–960 |
200 |
960 и выше |
500 |
В то время как для устройств класса B ограничения:
Частота (МГц) |
мкВ / м |
От 30 до 88 |
90 |
88 по 216 |
150 |
216–960 |
210 |
960 и выше |
300 |
Более подробную информацию об этих стандартах можно найти на страницах различных регулирующих органов.
Соответствие этим стандартам EMC для устройств требует защиты от электромагнитных помех на четырех уровнях: на уровне отдельных компонентов, на уровне платы / печатной платы, на уровне системы и на уровне всей системы. Для этого необходимы две основные меры; Обычно используются электромагнитное экранирование и заземление, хотя используются и другие важные меры, такие как фильтрация. Из-за того, что большинство электронных устройств закрыто, экранирование от электромагнитных помех обычно применяется на системном уровне, чтобы сдерживать как излучаемые, так и наведенные электромагнитные помехи, чтобы обеспечить соответствие стандартам EMC. Таким образом, мы будем рассматривать практические аспекты экранирования как меры защиты от электромагнитных помех.
Электромагнитное экранирование - защитите вашу конструкцию от EMI
Экранирование - одна из основных мер, принятых для снижения электромагнитных помех в электронных продуктах. Это предполагает использование металлического корпуса / экрана для электроники или кабелей. В определенном оборудовании / ситуациях, когда экранирование всего продукта может быть слишком дорогостоящим или непрактичным, наиболее важные компоненты, которые могут быть источником / приемником электромагнитных помех, экранируются. Это особенно характерно для большинства предварительно сертифицированных модулей связи и микросхем.
Физическое экранирование снижает электромагнитные помехи путем ослабления (ослабления) сигналов электромагнитных помех за счет отражения и поглощения волн. Металлические экраны спроектированы таким образом, что они способны отражать составляющую электрического поля, обладая высокой магнитной проницаемостью для поглощения составляющей H-поля электромагнитных помех. В кабелях сигнальные провода окружены внешним проводящим слоем, который заземлен с одного или обоих концов, в то время как для кожухов проводящий металлический корпус действует как экран от помех.
В идеале, идеальный корпус с электромагнитной совместимостью должен быть изготовлен из плотного материала, такого как сталь, полностью герметизирован со всех сторон без кабелей, чтобы волны не попадали внутрь или наружу, но следует учитывать несколько соображений, таких как необходимость в низкой стоимости корпуса, отвод тепла и т. Д. техническое обслуживание, кабели питания и передачи данных, среди прочего, делают такие идеалы непрактичными. Поскольку каждая из дыр создается, поскольку эти потребности являются потенциальными точками входа / выхода для EMI, разработчики вынуждены принимать несколько мер, чтобы гарантировать, что общая производительность устройства все еще находится в допустимых диапазонах стандарта EMC в конце дня..
Практические соображения по экранированию
Как упоминалось выше, при экранировании кожухами или экранирующими кабелями необходимо учитывать несколько практических соображений. Для продукта с критическими возможностями EMI (здравоохранение, авиация, энергетика, связь, военные и т. Д.) Важно, чтобы группы разработчиков продукта состояли из людей, имеющих соответствующий опыт в экранировании и общих ситуациях EMI. В этом разделе дается общий обзор некоторых возможных советов или защиты от электромагнитных помех.
1. Конструкция шкафа и корпуса
Как упоминалось выше, невозможно спроектировать корпуса без определенных отверстий, которые могли бы служить вентиляционными решетками, отверстиями для кабелей, дверьми и, среди прочего, такими вещами, как выключатели. Эти отверстия в корпусах, независимо от их размера или формы, через которые электромагнитная волна может входить или выходить из корпуса, в терминах EMI, называются прорезями. Прорези должны быть спроектированы таким образом, чтобы их длина и ориентация относительно частоты радиопомех не превращала их в волновод, а их размер и расположение в случае вентиляционных решеток должны поддерживать правильный баланс между воздушным потоком, необходимым для поддержания тепловых требований. схемы и способности управлять EMI в зависимости от требуемого затухания сигнала и частоты RFI.
В критических приложениях, таких как военное оборудование, прорези, такие как двери и т. Д., Обычно снабжены специальными прокладками, называемыми прокладками EMI. Они бывают разных типов, включая вязаную проволочную сетку и металлические спиральные прокладки, но перед выбором прокладки учитывается несколько конструктивных факторов (обычно стоимость / преимущества). В целом количество слотов должно быть как можно меньше, а размер - как можно меньше.
2. Кабели
В некоторых корпусах могут потребоваться отверстия для кабелей; это также должно быть учтено при проектировании корпуса. В
Помимо этого, кабели также служат средством кондуктивных электромагнитных помех как таковые в критически важном оборудовании, кабели используют экранирующую оплетку, которая затем заземляется. Хотя этот подход дорог, он более эффективен. Однако в ситуациях с низкой стоимостью готовые решения, такие как ферритовые шарики, размещаются в определенных местах на краю кабелей. На уровне печатной платы фильтры также реализованы вдоль входных линий питания.
Рекомендации по прохождению тестов EMI
Некоторые из методов проектирования EMI, особенно на уровне платы, чтобы держать EMI под контролем, включают:
- Используйте предварительно сертифицированные модули. Использование уже сертифицированных модулей позволяет сократить объем работы по экранированию и снизить стоимость сертификации вашего продукта, особенно для связи. Совет от профессионала: вместо того, чтобы разрабатывать новый блок питания для вашего проекта, разработайте проект так, чтобы он был совместим с существующими стандартными блоками питания. Это экономит ваши затраты на сертификацию источника питания.
- Делайте токовые петли маленькими. Способность проводника передавать энергию за счет индукции и излучения снижается с помощью петли меньшего размера, которая действует как антенна.
- Для пар медных дорожек печатной платы (ПК) используйте широкие (с низким сопротивлением) дорожки, выровненные друг над другом и под ним.
- Расположите фильтры в источнике помех, в основном как можно ближе к силовому модулю. Значения компонентов фильтра следует выбирать с учетом желаемого частотного диапазона затухания. Например, конденсаторы самостоятельно резонируют на определенных частотах, за пределами которых они действуют индуктивно. Выводы байпасного конденсатора должны быть как можно короче.
- Размещайте компоненты на печатной плате с учетом близости источников шума к потенциально чувствительным цепям.
- Размещайте развязывающие конденсаторы как можно ближе к преобразователю, особенно конденсаторы X и Y.
- По возможности используйте заземляющие пластины, чтобы минимизировать излучаемую связь, минимизировать площадь поперечного сечения чувствительных узлов и минимизировать площадь поперечного сечения сильноточных узлов, которые могут излучать, например, от конденсаторов синфазного режима.
- Устройства для поверхностного монтажа (SMD) лучше, чем устройства с выводами, справляются с радиочастотной энергией из-за меньшей индуктивности и более близкого расположения компонентов.
В целом, важно, чтобы в вашей команде были люди с таким опытом проектирования, поскольку это помогает сэкономить на сертификации, а также обеспечивает стабильность и надежность вашей системы и ее производительности.