Электромагнитные помехи (EMI) – типы, стандарты и методы экранирования


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 рекомендациям, касающимся функций. Таким образом, можно гарантировать эффективность этого конкретного продукта и предотвратить опасности и вред для его пользователей. Каким бы утомительным ни был этот этап, компаниям-производителям важно спланировать его заранее, чтобы избежать сложностей в последнюю минуту. В сегодняшней статье мы рассмотрим стандарт проектирования ЭМП (EMI), который является очень распространенной практикой, которую дизайнеры должны учитывать при разработке качественной продукции. Мы подробно рассмотрим электромагнитные помехи и изучим их типы, природу, спецификации и стандарты, механизмы связи и экранирования, а также лучшие практики прохождения тестов на электромагнитные помехи.

Электромагнитные помехи (EMI) – типы, стандарты и методы экранирования

Стандарты EMI – как все начиналось?

Стандарт EMI (Electromagnetic Interference, в пер. на русский - электромагнитные помехи, ЭМП) изначально был создан для защиты электронных схем от электромагнитных помех, которые могут помешать им работать так, как они изначально были задуманы. Эти помехи могут иногда даже привести к полной неисправности устройства и стать опасными для пользователей. Впервые это стало предметом беспокойства в 1950-х годах и представляло интерес в первую очередь для военных из-за нескольких заметных аварий, возникших из-за сбоев навигации из-за электромагнитных помех в навигационных системах и излучений радаров, приводящих к непреднамеренному срабатыванию оружия. Таким образом, военные хотели убедиться, что системы совместимы друг с другом и работа одной не влияет на работу другой, поскольку это может привести к гибели людей в их системе.

Помимо военного применения, недавние достижения в области медицины и здравоохранения, такие как кардиостимуляторы и другие виды CIED, также способствовали необходимости регулирования электромагнитных помех, поскольку вмешательство в подобные устройства может привести к опасным для жизни ситуациям.

Именно эти факторы, среди других сценариев, привели к созданию стандарта электромагнитных помех и созданию большого количества регулирующих органов по ЭМС.

Что такое электромагнитные помехи (EMI)?

Электромагнитные помехи можно определить как нежелательную электромагнитную энергию, которая нарушает правильное функционирование электронного устройства . Все электронные устройства генерируют определенное количество электромагнитного излучения, поскольку электричество, протекающее по его цепям и проводам, никогда не сдерживается полностью. Эта энергия от устройства «А», либо распространяющаяся по воздуху в виде электромагнитного излучения, либо передаваемая (или проводимая вдоль) ввода-вывода или кабелей другого устройства «Б», может нарушить рабочий баланс в устройстве Б, что приведет к выходу устройства из строя. Эта неисправность иногда приводит к опасным последствиям. Эта энергия устройства А, мешающая работе устройства Б, называется электромагнитными помехами.

Иногда помехи могут быть вызваны даже естественным источником, например грозой, но чаще всего это результат действия другого устройства, находящегося в непосредственной близости. Хотя все электронные устройства генерируют определенные электромагнитные помехи, определенный класс устройств, таких как мобильные телефоны, особенно светодиодные дисплеи и двигатели, с большей вероятностью будут создавать помехи по сравнению с другими. Поскольку ни одно устройство не может работать в изолированной среде, важно обеспечить соответствие наших устройств определенным стандартам, чтобы помехи были сведены к минимуму. Эти стандарты и правила известны как стандарт EMI, и каждый продукт/устройство, которое будет использоваться/продаваться в регионах/странах, где эти стандарты являются законом, должно быть сертифицировано, прежде чем его можно будет использовать.

Типы электромагнитных помех (ЭМП)

Прежде чем мы рассмотрим стандарты и правила, вероятно, важно изучить типы электромагнитных помех, чтобы лучше понять, какой тип защиты должен быть встроен в ваши продукты. Электромагнитные помехи можно разделить на типы на основе нескольких факторов, в том числе:

  1. Источник ЭМП.
  2. Продолжительность ЭМП.
  3. Пропускная способность ЭМП.

Рассмотрим эти факторы более подробно.

1. Источник электромагнитных помех

Один из способов классификации электромагнитных помех по типам — изучение источника помех и того, как они были созданы. В этой категории выделяют два типа электромагнитных помех: естественно возникающие электромагнитные помехи и искусственные электромагнитные помехи. Естественно возникающие электромагнитные помехи относятся к электромагнитным помехам, возникающим в результате таких природных явлений, как освещение, грозы и другие подобные явления. С другой стороны, искусственные электромагнитные помехи относятся к электромагнитным помехам, которые возникают в результате деятельности других электронных устройств вблизи устройства (приемника), испытывающего помехи. Примеры этих типов электромагнитных помех включают, среди прочего, радиочастотные помехи, электромагнитные помехи в звуковом оборудовании.

2. Продолжительность действия помехи

ЭМП также подразделяются на типы в зависимости от продолжительности помех, т. е. периода времени, в течение которого они наблюдались. Исходя из этого, электромагнитные помехи обычно разделяют на два типа: непрерывные электромагнитные помехи и импульсные электромагнитные помехи.

Непрерывные электромагнитные помехи относятся к электромагнитным помехам, которые постоянно излучаются источником. Источник может быть искусственным или естественным, но помехи возникают постоянно, пока существует механизм связи (проводимость или излучение) между источником ЭМП и приемником. Импульсные электромагнитные помехи — это электромагнитные помехи, возникающие периодически или в течение очень короткого периода времени. Как и непрерывные электромагнитные помехи, импульсные электромагнитные помехи могут быть естественными или искусственными. Пример включает импульсный шум, исходящий от выключателей, осветительных приборов и подобных источников, которые могут излучать сигналы, вызывающие нарушение равновесия напряжения или тока в подключенных близлежащих системах.

3. Пропускная способность электромагнитных помех

Электромагнитные помехи также можно разделить на типы по их полосе пропускания. Полоса пропускания электромагнитных помех относится к диапазону частот, на которых возникают электромагнитные помехи. На основании этого электромагнитные помехи можно разделить на узкополосные и широкополосные.

Узкополосные электромагнитные помехи обычно состоят из одной частоты или узкой полосы частот помех, возможно, генерируемых каким-либо генератором или в результате побочных сигналов, возникающих из-за различных видов искажений в передатчике. В большинстве случаев они обычно оказывают незначительное влияние на средства связи или электронное оборудование и их можно легко отключить. Однако они остаются мощным источником помех, и их следует удерживать в приемлемых пределах.

Широкополосные электромагнитные помехи — это электромагнитные помехи, 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 они представляют собой источник значительной части проблем с электромагнитными помехами в оборудовании для обработки цифровых данных. Хорошим примером естественной ситуации с электромагнитными помехами является «Sun Outage», который возникает в результате того, что солнечная энергия нарушает сигнал от спутника связи. Другие примеры включают в себя; ЭМП в результате неисправных щеток в двигателях/генераторах, искрения в системах зажигания, неисправных линий электропередачи и неисправных люминесцентных ламп.

Природа ЭМИ

Как известно, электромагнитные волны представляют собой электромагнитные волны, которые состоят из компонентов E (электрического) и H (магнитного) полей , колеблющихся 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 и знать, какой из них является доминирующим, прежде чем можно будет четко решить проблему.

Структура электромагнитной волны

Например, для компонентов электрического поля ослабление электромагнитных помех можно улучшить с помощью материалов с высокой проводимостью, но уменьшить с помощью материалов с повышенной проницаемостью, что, напротив, улучшает ослабление компонента магнитного поля. Таким образом, повышенная проницаемость в системе с преобладанием электромагнитного поля уменьшит затухание, но в системе с преобладанием Н-поля затухание улучшится. Однако из-за последних достижений в технологиях, используемых при создании электронных компонентов, электронное поле обычно является основным компонентом помех .

Механизмы связи электромагнитных помех

Механизм связи электромагнитных помех описывает, как электромагнитные помехи попадают от источника к приемнику (затрагиваемым устройствам). Понимание природы электромагнитных помех и того, как они передаются от источника к приемнику, является ключом к решению проблемы. Благодаря двум компонентам (H-полю и E-полю) электромагнитные помехи передаются от источника к приемнику посредством четырех основных типов электромагнитной связи: проводимости, излучения, емкостной связи и индуктивной связи. Давайте рассмотрим эти механизмы по порядку.

1. Проводимость

Кондуктивная связь возникает, когда электромагнитные излучения передаются по проводникам (проводам и кабелям), соединяющим источник электромагнитных помех и приемник вместе. Связанные таким образом электромагнитные помехи часто встречаются в линиях электропитания и обычно сильно влияют на компонент H-поля. Кондуктивная связь в линиях электропередачи может быть либо синфазной (помехи появляются синфазно на линиях +ve и -ve или линиях tx и rx), либо дифференциальной проводимостью (помехи возникают в противофазе на двух проводниках). Самым популярным решением проблемы помех, связанных с проводимостью, является использование фильтров и экранирования кабелей.

2. Радиация (излучение)

Радиационная связь является наиболее популярной и часто встречающейся формой связи с электромагнитными помехами. В отличие от проводимости, она не предполагает какого-либо физического соединения между источником и приемником, поскольку помехи излучаются через пространство к приемнику. Хорошим примером излучаемых электромагнитных помех является упомянутое ранее влияние солнечной энергии на антенны спутников связи.

3. Емкостная связь

Это происходит между двумя подключенными устройствами. Емкостная связь существует, когда изменяющееся напряжение в источнике емкостно передает заряд приемнику.

4. Индуктивная/магнитная связь

Эта ситуация 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 (ЭМС) . Он содержит список стандартов производительности, которым должны соответствовать устройства, чтобы показать, что они могут сосуществовать с другими устройствами и работать так, как задумано, не влияя при этом на производительность других устройств. Таким образом, стандарты EMI по существу являются частью общих стандартов ЭМС. Хотя имена обычно используются как взаимозаменяемые, между ними существует явная разница, и она будет рассмотрена в следующей статье.

Проблема ЭМС в современном мире обостряется с каждым годом из-за опережающего роста количества радиоэлектронных средств по сравнению с освоением новых частотных диапазонов, а в последнее время эту проблему стали обострять и массово появляющиеся электромобили, в которых также необходимо решать проблемы ЭМС и которые могут быть источниками ЭМП для других электронных устройств.

В разных странах и континентах/экономических зонах существуют разные варианты этих стандартов, но в этой статье мы будем рассматривать стандарты Федеральной комиссии по связи (Federal Communications Commission, FCC). Согласно части 15 раздела 47 «Телекоммуникации» стандартов FCC, которая регулирует «непреднамеренные» радиочастоты, существует два класса устройств: классы A и B.

Устройства класса A — это устройства, предназначенные для использования в промышленности, офисах и везде, кроме дома, а устройства класса B — это устройства, предназначенные для домашнего использования, независимо от их использования в других средах.

Что касается выбросов, связанных с проводимостью, то для устройств класса B, предназначенных для домашнего использования, ожидается, что выбросы будут ограничены значениями, указанными в таблице ниже. Следующая информация получена с веб-сайта Электронного кодекса федерального регулирования.

Информация с веб-сайта Электронного кодекса федерального регулирования

Для устройств класса А ограничения составляют:

Ограничения для устройств класса А

Ожидается, что в отношении излучаемых излучений устройства класса А будут оставаться в пределах указанных ниже пределов для указанных частот:

Частота (МГц) Напряженность ЭМП, мкВ/м 
от 30 до 88 100
с 88 по 216 150
от 216 до 960 200
960 и выше 500

В то время как для устройств класса B ограничения составляют:

Частота (МГц) Напряженность ЭМП, мкВ/м 
от 30 до 88 90
с 88 по 216 150
от 216 до 960 210
960 и выше 300

Более подробную информацию об этих стандартах можно найти на страницах различных регулирующих органов.

Соблюдение этих стандартов ЭМС для устройств требует защиты от электромагнитных помех на четырех уровнях: уровень отдельных компонентов, уровень платы, системный уровень и общий уровень системы. Для достижения этой цели необходимо принять две основные меры: обычно используются электромагнитное экранирование и заземление, хотя также применяются и другие важные меры, такие как фильтрация. Из-за закрытого характера большинства электронных устройств экранирование от электромагнитных помех обычно применяется на уровне системы, чтобы сдерживать как излучаемые, так и кондуктивные электромагнитные помехи, чтобы обеспечить соответствие стандартам ЭМС. Таким образом, мы рассмотрим практические соображения относительно экранирования как меры защиты от электромагнитных помех.

Экранирование – защитите свою конструкцию от электромагнитных помех

Экранирование — одна из основных мер, принятых для снижения электромагнитных помех в электронных продуктах. Она 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 коммуникационных модулей и микросхем.

Физическое экранирование уменьшает электромагнитные помехи за счет ослабления сигналов электромагнитных помех за счет отражения и поглощения их волн. Металлические экраны спроектированы таким образом, что они способны отражать составляющую электронного поля, обладая при этом высокой магнитной проницаемостью, позволяющей поглощать составляющую H-поля электромагнитных помех. В кабелях сигнальные провода окружены внешним проводящим слоем, который заземлен с одного или обоих концов, а в корпусах проводящий металлический корпус действует как экран от помех.

В идеале идеальный корпус для обеспечения ЭМС должен быть изготовлен из плотного материала, такого как сталь, полностью герметичен со всех сторон, без кабелей, чтобы волна не распространялась внутрь или наружу, но необходимо учитывать несколько факторов, таких как необходимость, низкая стоимость корпусов, управление теплом, техническое обслуживание, силовые кабели и кабели передачи данных. В конечном итоге данные факторы делают такие идеалы непрактичными. Поскольку каждая из созданных дыр является потенциальной точкой входа/выхода для электромагнитных помех, проектировщики вынуждены принимать ряд мер, чтобы гарантировать, что общая производительность устройства по-прежнему находится в допустимых пределах стандарта ЭМС.

Практические рекомендации по экранированию

Как упоминалось выше, при экранировании кожухами или экранирующими кабелями необходимо учитывать ряд практических соображений. Для продуктов с критически важными возможностями электромагнитных помех (здравоохранение, авиация, энергетика, связь, военные и т. д.) важно, чтобы группы разработчиков продуктов состояли из людей с соответствующим опытом в области экранирования и общих ситуаций, связанных с электромагнитными помехами. В этом разделе представлен общий обзор некоторых возможных советов по экранированию электромагнитных помех.

1. Конструкция шкафа и корпуса

Как упоминалось выше, невозможно спроектировать корпуса без определенных отверстий, которые могут служить в качестве вентиляционных решеток, отверстий для кабелей, дверей и, среди прочего, для таких вещей, как переключатели. Эти отверстия в корпусах, независимо от их размера и формы, через которые электромагнитная волна может проникать в корпус или выходить из него, в терминах электромагнитных помех называются прорезями. Щели должны быть спроектированы таким образом, чтобы их длина и ориентация относительно частоты радиочастотных помех не превращали их в волновод, а их размер и расположение в случае вентиляционных решеток должны обеспечивать правильный баланс между потоками воздуха, необходимыми для поддержания тепловых требований схемы и возможностью контролировать электромагнитные помехи в зависимости от требуемого затухания сигнала и задействованной частоты радиочастотных помех.

В критически важных приложениях, таких как военная техника, щели, такие как двери и т. д., обычно прошиваются специальными прокладками, называемыми прокладками EMI. Они бывают разных типов, включая вязаную проволочную сетку и металлические спиральные прокладки, но прежде чем сделать выбор прокладки, учитывается несколько конструктивных факторов (обычно цена/выгода). В целом, количество слотов и их размер должны быть как можно меньшими.

2. Кабели

В некоторых корпусах может потребоваться наличие отверстий для кабелей; это также необходимо учитывать при проектировании корпуса.

Помимо этого, кабели также служат средством кондуктивных электромагнитных помех в критически важном оборудовании. В кабелях используется экранирующая оплетка, которая затем заземляется. Хотя этот подход является дорогостоящим, он более эффективен. Однако в ситуациях с низкой стоимостью готовые решения, такие как ферритовые шарики, размещаются в определенных местах на краях кабелей. На уровне печатной платы фильтры также реализованы вдоль входных линий питания.

Лучшие практики для прохождения тестов на электромагнитные помехи

Некоторые методы проектирования EMI, особенно на уровне высших советов предприятий, позволяющие контролировать EMI, включают следующие меры:

  1. Используйте предварительно сертифицированные модули. Использование уже сертифицированных модулей, особенно в области связи, сокращает объем работы, которую необходимо выполнить команде по защите, и снижает стоимость сертификации вашего продукта. Совет для профессионалов: вместо того, чтобы разрабатывать новый блок питания для вашего проекта, спроектируйте его так, чтобы он был совместим с существующими стандартными источниками питания. Это экономит ваши затраты на сертификацию источника питания.
  2. Следите за тем, чтобы контуры тока были небольшими. Способность проводника связывать энергию посредством индукции и излучения снижается за счет меньшей петли, которая действует как антенна.
  3.  Для пар медных дорожек печатной платы используйте широкие (с низким импедансом) дорожки, расположенные выше и ниже друг друга.
  4. Располагайте фильтры у источника помех, как можно ближе к модулю питания. Значения компонентов фильтра следует выбирать с учетом желаемого частотного диапазона затухания. Например, конденсаторы резонируют на определенных частотах, за пределами которых они действуют индуктивно. Провода байпасного конденсатора должны быть как можно короче.
  5. Размещайте компоненты на печатной плате, учитывая близость источников шума к потенциально уязвимым схемам.
  6. Развязывающие конденсаторы располагайте как можно ближе к преобразователю, особенно конденсаторы X и Y.
  7. 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 синфазных конденсаторов.
  8. Устройства поверхностного монтажа (SMD) лучше, чем устройства с выводами, справляются с радиочастотной энергией из-за уменьшенной индуктивности и более близкого размещения компонентов.

В целом, во время процесса разработки в вашей команде важно иметь людей с таким опытом проектирования, поскольку это помогает сэкономить затраты на сертификацию, а также обеспечивает стабильность и надежность вашей системы и ее производительность.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
18 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *