Elektromagnetische interferentie (emi) - soorten, normen en afschermingstechnieken

Certificering is meestal een van de duurste en meest vervelende fasen tijdens de ontwikkeling van een nieuw hardwareproduct. Het helpt de autoriteiten om te weten dat het product voldoet aan alle vastgestelde wetten en richtlijnen rond de functies. Op deze manier kunnen de prestaties van dat specifieke product worden gegarandeerd om gevaren en schade voor de gebruikers ervan te voorkomen. Hoe vervelend deze fase meestal ook is, het is belangrijk voor de productbedrijven om dit van tevoren te plannen om last-minute complexiteiten te voorkomen. Voor het artikel van vandaag zullen we kijken naar EMI Design Standarddat is een veel voorkomende praktijk die ontwerpers in gedachten moeten houden om kwaliteitsproducten te ontwikkelen. We zullen in detail naar EMI kijken en zullen de typen, aard, specificaties en normen, koppelings- en afschermingsmechanismen en best practices voor het doorstaan van EMI-tests onderzoeken.

EMI-normen - hoe het allemaal begon?

De EMI-norm (Electromagnetic Interference) is oorspronkelijk gemaakt om elektronische circuits te beschermen tegen elektromagnetische interferentie die ervoor kan zorgen dat ze niet meer werken zoals ze oorspronkelijk bedoeld waren. Deze interferenties kunnen er soms zelfs voor zorgen dat het apparaat volledig defect raakt, waardoor het gevaarlijk kan worden voor gebruikers. Het werd voor het eerst een punt van zorg in de jaren vijftig en was vooral van belang voor het leger vanwege een paar opmerkelijke ongevallen als gevolg van navigatiestoringen als gevolg van elektromagnetische interferentie in navigatiesystemen en radaremissies die leidden tot het onbedoeld vrijkomen van wapens. Als zodanig wilden de militairen ervoor zorgen dat systemen compatibel waren met elkaar en dat de operaties van de ene geen invloed hadden op de andere, aangezien dat zou kunnen leiden tot dodelijke slachtoffers in hun vaartuigen.

Naast militaire toepassingen hebben recente ontwikkelingen in geneeskunde en gezondheidsgerelateerde oplossingen zoals pacemakers en andere soorten CIED's ook bijgedragen aan de behoefte aan EMI-voorschriften, aangezien interferentie in dergelijke apparaten kan leiden tot levensbedreigende situaties.

Deze en andere scenario's hebben geleid tot de totstandkoming van de EMI-interferentiestandaard en met het grote aantal EMC-regelgevende instanties dat is opgericht.

Wat is elektromagnetische interferentie (EMI)?

Elektromagnetische interferentie kan worden gedefinieerd als ongewenste elektromagnetische energie die de goede werking van een elektronisch apparaat verstoort. Alle elektronische apparaten genereren een bepaalde hoeveelheid elektromagnetische straling omdat de elektriciteit die door de circuits en draden stroomt, nooit volledig wordt ingesloten. Deze energie van apparaat "A", hetzij voortgeplant door de lucht als elektromagnetische straling, of gekoppeld aan (of geleid langs) I / O of kabels van een ander apparaat "B", zou de operationele balans in apparaat B kunnen verstoren, waardoor het apparaat storing soms op een gevaarlijke manier. Deze energie van apparaat A die de werking van apparaat B verstoort, wordt elektromagnetische interferentie genoemd .

De storing kan soms zelfs afkomstig zijn van een natuurlijke bron, zoals elektrische stormen, maar vaker wel dan niet is het meestal het resultaat van de acties van een ander apparaat in de buurt. Hoewel alle elektronische apparaten sommige EMI's genereren, is de kans groter dat een bepaalde klasse van apparaten, zoals mobiele telefoons, LED-displays en motoren, interferentie genereert in vergelijking met andere. Aangezien geen enkel apparaat in een geïsoleerde omgeving kan werken, is het belangrijk ervoor te zorgen dat onze apparaten aan bepaalde normen voldoen om ervoor te zorgen dat interferentie tot het minimum wordt beperkt. Deze normen en voorschriften staan bekend als de EMI-standaard en elk product / apparaat dat wordt gebruikt / verkocht in regio's / landen waar deze normen wettelijk zijn vastgelegd, moet worden gecertificeerd voordat ze kunnen worden gebruikt.

Soorten elektromagnetische interferentie (EMI)

Voordat we naar de norm en voorschriften kijken, is het waarschijnlijk belangrijk om het type EMI's te onderzoeken om een beter begrip te krijgen van het soort immuniteit dat in uw producten moet worden ingebouwd. Elektromagnetische interferentie kan worden onderverdeeld in typen op basis van verschillende factoren, waaronder;

Bron van EMI
Duur van EMI
Bandbreedte van EMI

We zullen elk van deze categorieën een voor een bekijken.

1. Bron van EMI

Een manier om EMI's in typen te categoriseren, is door de bron van de interferentie te onderzoeken en hoe deze is ontstaan. Onder deze categorie vallen in feite twee soorten EMI's, natuurlijk voorkomende EMI en door de mens gemaakte EMI. De natuurlijk voorkomende EMI verwijst naar elektromagnetische interferenties die optreden als gevolg van natuurlijke verschijnselen zoals verlichting, elektrische stormen en andere soortgelijke gebeurtenissen. Terwijl Man-made EMI aan de andere kant verwijst naar EMI's die optreden als gevolg van de activiteiten van andere elektronische apparaten in de buurt van het apparaat (ontvanger) dat de interferentie ervaart. Voorbeelden van dit soort EMI's zijn onder meer radiofrequentie-interferentie, EMI in geluidsapparatuur.

2. Duur van interferentie

EMI's worden ook onderverdeeld in typen op basis van de duur van de storing, dwz de tijdsperiode gedurende welke de storing werd ondervonden. Op basis hiervan worden EMI's meestal gegroepeerd in twee typen, Continuous EMI en Impulse EMI. De continue EMI verwijst naar EMI's die continu worden uitgezonden door een bron. De bron kan door de mens gemaakt of natuurlijk zijn, maar de interferentie wordt continu ervaren, zolang er een koppelingsmechanisme bestaat (geleiding of straling) tussen de EMI-bron en de ontvanger. Impuls EMIzijn EMI's die met tussenpozen of binnen een zeer korte duur optreden. Net als de continue EMI's kan Impulse EMI ook van nature voorkomen of door de mens zijn gemaakt. Voorbeeld omvat impulsruis die wordt ervaren door schakelaars, verlichting en soortgelijke bronnen die signalen kunnen uitzenden die een verstoring in het spannings- of stroomevenwicht van aangesloten nabijgelegen systemen kunnen veroorzaken.

3. Bandbreedte van EMI

EMI's kunnen ook worden onderverdeeld in typen met behulp van hun bandbreedte. De bandbreedte van een EMI verwijst naar het frequentiebereik waarop de EMI wordt ervaren. Op basis hiervan kunnen EMI's worden onderverdeeld in Narrowband EMI en Broadband EMI. De smalband-EMI bestaat typisch uit een enkele frequentie of een smalband aan interferentiefrequenties, mogelijk gegenereerd door een vorm van oscillator of als resultaat van stoorsignalen die optreden als gevolg van verschillende soorten vervorming in een zender. In de meeste gevallen hebben ze meestal een klein effect op communicatie of elektronische apparatuur en kunnen ze gemakkelijk worden afgesteld. Ze blijven echter een krachtige bron van interferentie en moeten binnen aanvaardbare grenzen worden gehouden. De breedband-EMI'szijn EMI's die niet voorkomen op enkele / discrete frequenties. Ze nemen een groot deel van het magnetische spectrum in, bestaan in verschillende vormen en kunnen voortkomen uit verschillende door de mens gemaakte of natuurlijke bronnen. Typische oorzaken zijn onder meer boogvorming en corona en het vertegenwoordigt de bron van een groot percentage van EMI-problemen in digitale gegevensapparatuur. Een goed voorbeeld van een natuurlijk voorkomende EMI-situatie is "Sun Outage", die optreedt als gevolg van de energie van de zon die het signaal van een communicatiesatelliet verstoort. Andere voorbeelden zijn; EMI als gevolg van defecte borstels in motoren / generatoren, vlambogen in ontstekingssystemen, defecte elektriciteitsleidingen en slechte fluorescentielampen.

Aard van EMI

EMI's, zoals eerder beschreven, zijn elektromagnetische golven die bestaan uit zowel de E (elektrisch) als H (magnetisch) veldcomponenten, die loodrecht op elkaar oscilleren, zoals hieronder getoond. Elk van deze componenten reageert anders op parameters zoals frequentie, spanning, afstand en stroom, daarom is het van cruciaal belang om de aard van de EMI te begrijpen, om te weten welke ervan dominant is voordat het probleem duidelijk kan worden aangepakt.

Voor de componenten van het elektrische veld kan de EMI-verzwakking bijvoorbeeld worden verbeterd via materialen met een hoge geleidbaarheid, maar verminderd door materialen met een verhoogde permeabiliteit, wat daarentegen de verzwakking voor de magnetische veldcomponent verbetert. Als zodanig zal verhoogde permeabiliteit in een systeem met door E-velden gedomineerde EMI de verzwakking verminderen, maar de verzwakking zal verbeteren in een door H-veld gedomineerde EMI. Vanwege recente vorderingen in technologieën die worden gebruikt bij het maken van elektronische componenten, is het E-veld meestal de belangrijkste component van de interferentie.

EMI-koppelingsmechanismen

EMI-koppelingsmechanisme beschrijft hoe de EMI's van de bron naar de ontvanger komen (getroffen apparaten). Het begrijpen van de aard van het EMI en hoe het wordt gekoppeld van de bron naar de ontvanger, is de sleutel tot het aanpakken van het probleem. Aangedreven door de twee componenten (H-veld en E-veld), worden EMI's van een bron naar een ontvanger gekoppeld via vier hoofdtypen EMI-koppeling: geleiding, straling, capacitieve koppeling en inductieve koppeling. Laten we de koppelingsmechanismen een voor een bekijken.

1. Geleiding

Conductiekoppeling vindt plaats wanneer EMI-emissies worden geleid langs geleiders (draden en kabels) die de bron van de EMI en de ontvanger met elkaar verbinden. Op deze manier gekoppelde EMI is gebruikelijk op de voedingslijnen en meestal zwaar op de H-veldcomponent. Geleidingskoppeling op hoogspanningskabels kan ofwel Common Mode-geleiding zijn (de interferentie verschijnt in fase op de + ve en -ve-lijn of tx- en rx-lijnen) of Differentiële modusgeleiding (de interferentie lijkt uit fase op twee geleiders). De meest populaire oplossing voor geleidingsgekoppelde interferentie is het gebruik van filters en afscherming over kabels.

2. Straling

Stralingskoppeling is de meest populaire en meest ervaren vorm van EMI-koppeling. In tegenstelling tot geleiding is er geen fysieke verbinding tussen de bron en de ontvanger, aangezien de interferentie via de ruimte naar de ontvanger wordt uitgezonden (uitgestraald). Een goed voorbeeld van uitgestraalde EMI is de eerder genoemde uitval van de zon.

3. Capacitieve koppeling

Dit gebeurt tussen twee aangesloten apparaten. Er is sprake van capacitieve koppeling wanneer een veranderende spanning in de bron een lading capacitief overbrengt op het slachtoffer

4. Inductieve / magnetische koppeling

Dit verwijst naar het soort EMI dat optreedt als gevolg van een geleider die interferentie induceert in een andere geleider in de buurt, gebaseerd op de principes van elektromagnetische inductie.

Elektromagnetische interferentie en compatibiliteit

EMI-standaard kan worden beschouwd als een onderdeel van de regelgevende standaard genaamd elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Het bevat een lijst met prestatienormen waaraan apparaten moeten voldoen om te laten zien dat ze naast andere apparaten kunnen bestaan en kunnen presteren zoals ontworpen zonder ook de prestaties van de andere apparaten te beïnvloeden. Als zodanig maken EMI-standaarden in wezen deel uit van de algemene EMC-standaarden. Hoewel de namen meestal door elkaar worden gebruikt, bestaat er een duidelijk verschil tussen de namen, maar dit wordt behandeld in een vervolgartikel.

Verschillende landen en continenten / economische zones hebben verschillende variaties op deze normen, maar voor dit artikel zullen we de normen van de Federal Communications Commission (FCC) overwegen. Volgens deel 15 van titel 47: Telecommunicatie, van de FCC-normen, die "onbedoelde" radiofrequentie regelt, zijn er twee soorten apparaten; Klasse A en B.

Klasse A-apparaten zijn apparaten die bedoeld zijn voor gebruik in de industrie, kantoren, overal behalve thuis, terwijl Klasse B-apparaten apparaten zijn die bedoeld zijn voor thuisgebruik, ondanks het gebruik in andere omgevingen.

In termen van door geleiding gekoppelde emissies: voor Klasse B-apparaten die bedoeld zijn om thuis te worden gebruikt, wordt verwacht dat de emissies beperkt zijn tot de waarden die in de onderstaande tabel worden weergegeven. De volgende informatie is verkregen van de Electronic Code of Federal Regulation Website.

Voor apparaten van klasse A zijn de limieten;

Voor uitgestraalde emissies wordt verwacht dat Klasse A- apparaten binnen de onderstaande limiet blijven voor de gespecificeerde frequenties;

Frequentie (MHz)	µV / m
30 tot 88	100
88 tot 216	150
216 tot 960	200
960 en hoger	500

Terwijl voor Klasse B- apparaten de limieten zijn;

Frequentie (MHz)	µV / m
30 tot 88	90
88 tot 216	150
216 tot 960	210
960 en hoger	300

Meer info over deze normen is te vinden op de pagina van de verschillende regelgevende instanties.

Om aan deze EMC-normen voor apparaten te voldoen, is EMI-bescherming vereist op vier niveaus: het individuele componentniveau, kaart- / PCB-niveau, systeemniveau en algemeen systeemniveau. Om dit te bereiken, twee belangrijke maatregelen; Elektromagnetische afscherming en aarding worden meestal toegepast, hoewel ook andere belangrijke maatregelen zoals filtering worden toegepast. Vanwege de ingesloten aard van de meeste elektronische apparaten, wordt EMI-afscherming gewoonlijk toegepast op systeemniveau om zowel uitgestraalde als geleide EMI's te bevatten om naleving van EMC-normen te garanderen. Als zodanig zullen we kijken naar praktische overwegingen rond afscherming als een maatregel voor EMI-bescherming.

Elektromagnetische afscherming - Bescherm uw ontwerp tegen EMI

Afscherming is een van de belangrijkste maatregelen die zijn genomen om EMI in elektronische producten te verminderen. Het omvat het gebruik van een metalen behuizing / afscherming voor de elektronica of kabels. In bepaalde uitrustingen / situaties waarin het afschermen van het gehele product te duur of onpraktisch kan zijn, zijn de meest kritische componenten die een EMI-bron / -afvoer zouden kunnen zijn, afgeschermd. Dit komt vooral voor bij de meeste voorgecertificeerde communicatiemodules en chips.

Fysieke afscherming vermindert EMI door EMI-signalen te verzwakken (verzwakken) door de reflectie en absorptie van de golven. Metalen afschermingen zijn zo ontworpen dat ze de E-veldcomponent kunnen reflecteren terwijl ze een hoge magnetische permeabiliteit hebben om de H-veldcomponent van de EMI te absorberen. In kabels zijn de signaaldraden omgeven door een buitenste geleidende laag die aan een of beide uiteinden is geaard, terwijl voor behuizingen een geleidende metalen behuizing fungeert als een interferentieschild.

Idealiter zou de perfecte EMC-behuizing er een zijn gemaakt van een dicht materiaal zoals staal, volledig afgedicht aan alle kanten zonder kabels, zodat er geen golven in of uit gaan, maar verschillende overwegingen, zoals de noodzaak van lage kosten voor behuizingen, warmtebeheer, onderhoud, stroom- en datakabels maken dergelijke idealen onpraktisch. Omdat elk van de gaten is gemaakt, omdat deze behoeften een potentiële ingang / uitgang zijn voor EMI's, zijn ontwerpers gedwongen verschillende maatregelen te nemen om ervoor te zorgen dat de algehele prestaties van het apparaat aan het einde van de dag nog steeds binnen het toegestane bereik van de EMC-norm vallen..

Afscherming Praktische overwegingen

Zoals hierboven vermeld, zijn verschillende praktische overwegingen vereist bij het afschermen met behuizingen of afschermingskabels. Voor producten met kritieke EMI-mogelijkheden (gezondheid, luchtvaart, stroom, communicatie, leger enzovoort), is het belangrijk dat productontwerpteams bestaan uit personen met relevante ervaring op het gebied van afscherming en algemene EMI-situaties. Dit gedeelte geeft een breed overzicht van enkele van de mogelijke tips of EMI-afscherming.

1. Ontwerp van kast en behuizing

Zoals hierboven vermeld is het onmogelijk om behuizingen te ontwerpen zonder bepaalde openingen die dienen als ventilatieroosters, kabelgaten, deuren en voor zaken als schakelaars. Deze openingen op behuizingen, ongeacht hun grootte of vorm, waardoor een EM-golf de behuizing kan binnenkomen of verlaten, in EMI-termen, worden slots genoemd. Sleuven moeten zo worden ontworpen dat hun lengte en oriëntatie ten opzichte van de RFI-frequentie ze niet in een golfgeleider verandert, terwijl hun grootte en opstelling in het geval van ventilatieroosters een juiste balans moeten behouden tussen de luchtstroom die nodig is om de thermische vereisten te handhaven van de schakelingen en de mogelijkheid om EMI te regelen op basis van de vereiste signaaldemping en de betrokken RFI-frequentie.

In kritieke toepassingen zoals militaire uitrusting, worden sleuven zoals deuren enz. Meestal doorspekt met gespecialiseerde pakkingen die EMI-pakkingen worden genoemd. Ze zijn er in verschillende soorten, waaronder gebreid gaas en metalen spiraalvormige pakkingen, maar er worden verschillende ontwerpfactoren (meestal kosten / baten) overwogen voordat de keuze van de pakking wordt gemaakt. Over het algemeen moet het aantal slots zo klein mogelijk zijn en de grootte zo klein mogelijk.

2. Kabels

Bepaalde behuizingen kunnen vereist zijn om kabelopeningen te hebben; dit moet ook in het ontwerp van de behuizing worden meegenomen. In

Afgezien hiervan dienen kabels ook als een middel voor geleide EMI's als zodanig in kritieke apparatuur, kabels gebruiken een gevlochten afscherming die vervolgens worden geaard. Hoewel deze benadering duur is, is deze effectiever. In goedkope situaties worden kant-en- klare oplossingen zoals ferrietkralen op specifieke locaties aan de rand van de kabels geplaatst. Op PCB-bordniveau worden filters ook geïmplementeerd langs voedingskabels.

Best practices om EMI-tests te doorstaan

Enkele van de EMI-ontwerppraktijken, vooral op directieniveau, om EMI onder controle te houden, zijn onder meer;

Gebruik vooraf gecertificeerde modules. Vooral voor communicatie vermindert het gebruik van reeds gecertificeerde modules de hoeveelheid werk die het team moet doen bij het afschermen en verlaagt het de kosten van certificering voor uw product. Pro-tip: in plaats van een nieuwe stroomvoorziening voor uw project te ontwerpen, kunt u het project zo ontwerpen dat het compatibel is met bestaande standaard voedingen. Dit bespaart u kosten bij het certificeren van de stroomvoorziening.
Houd de huidige lussen klein. Het vermogen van een geleider om energie te koppelen door inductie en straling wordt verlaagd met een kleinere lus, die als antenne fungeert
Gebruik voor paren koperen printplaatsporen (PC) brede (lage impedantie) sporen die boven en onder elkaar zijn uitgelijnd.
Lokaliseer filters bij de storingsbron, in principe zo dicht mogelijk bij de voedingsmodule. De waarden van de filtercomponenten moeten worden gekozen met het gewenste frequentiebereik van verzwakking in gedachten. Condensatoren resoneren bijvoorbeeld zelf op bepaalde frequenties, waarna ze inductief werken. Houd de bypass-condensatorkabels zo kort mogelijk.
Plaats componenten op de printplaat en houd daarbij rekening met de nabijheid van ruisbronnen tot potentieel gevoelige circuits.
Plaats ontkoppelingscondensatoren zo dicht mogelijk bij de omzetter, vooral X- en Y-condensatoren.
Gebruik indien mogelijk grondvlakken om de uitgestraalde koppeling te minimaliseren, het dwarsdoorsnedegebied van gevoelige knooppunten te minimaliseren en het dwarsdoorsnedegebied van hoogstroomknooppunten die kunnen uitstralen te minimaliseren, zoals die van common-mode condensatoren
Apparaten voor opbouwmontage (SMD) zijn beter dan gelode apparaten in het omgaan met RF-energie vanwege de verminderde inductanties en de beschikbaarheid van dichterbij geplaatste componenten.

Al met al is het belangrijk om personen met deze ontwerpervaringen in uw team te hebben tijdens het ontwikkelingsproces, omdat dit helpt bij het besparen van kosten bij certificering en ook de stabiliteit en betrouwbaarheid van uw systeem en de prestaties ervan garandeert.