Sähkömagneettiset häiriöt (emi) - tyypit, standardit ja suojaustekniikat

Sertifiointi on yleensä yksi kalleimmista ja työlisimmistä vaiheista uuden laitteistotuotteen kehittämisen aikana. Se auttaa viranomaisia tietämään, että tuote noudattaa kaikkia säädettyjä toimintoja koskevia lakeja ja ohjeita. Tällä tavoin tietyn tuotteen suorituskyky voidaan varmistaa estämään vaarat ja vahingot sen käyttäjille. Niin tylsiä kuin tässä vaiheessa yleensä onkin, tuoteyritysten on tärkeää suunnitella tämä etukäteen, jotta viime hetken monimutkaisuudet mitätöidään. Tämän päivän artikkelissa tarkastelemme EMI Design Standardiamikä on hyvin yleinen käytäntö, jonka suunnittelijoiden on pidettävä mielessäni laadukkaiden tuotteiden kehittämiseksi. Tarkastelemme EMIä yksityiskohtaisesti ja tarkastelemme sen tyyppejä, luonnetta, eritelmiä ja standardeja, kytkentä- ja suojamekanismeja sekä parhaita käytäntöjä EMI-testien läpäisemiseksi.

EMI-standardit - miten kaikki alkoi?

EMI (sähkömagneettinen häiriö) standardi perustettiin alun perin suojata elektronisia piirejä sähkömagneettisia häiriöitä, jotka voivat estää niiden toimi niin ne oli alun perin suunniteltu. Nämä häiriöt saattavat joskus jopa tehdä laitteesta täysin toimintahäiriön, josta voi tulla vaarallista käyttäjille. Siitä tuli ensimmäinen huolenaihe 1950-luvulla, ja se kiinnosti ensisijaisesti armeijaa johtuen muutamista merkittävistä onnettomuuksista, jotka johtuvat navigointijärjestelmien sähkömagneettisista häiriöistä johtuvista navigointivirheistä ja tutkien päästöistä, jotka johtivat tahattomaan aseiden vapautumiseen. Sellaisena armeija halusi varmistaa, että järjestelmät olivat yhteensopivia keskenään, eikä toisen toiminta vaikuta toisiinsa, koska se voisi johtaa kuolemaan heidän aluksillaan.

Sotilaallisten sovellusten lisäksi lääketieteeseen ja terveyteen liittyvät ratkaisut, kuten sydämentahdistimet ja muut CIED-laitteet, ovat viime aikoina edistäneet EMI-määräysten tarvetta, koska tällaisten laitteiden häiriöt voivat johtaa hengenvaarallisiin tilanteisiin.

Nämä muiden skenaarioiden joukossa johtavat EMI-häiriöstandardin perustamiseen ja perustettujen EMC-sääntelyelinten suuren määrän kanssa.

Mikä on sähkömagneettinen häiriö (EMI)?

Sähkömagneettinen häiriö voidaan määritellä ei-toivotuksi sähkömagneettiseksi energiaksi, joka häiritsee elektronisen laitteen asianmukaista toimintaa. Kaikki elektroniset laitteet tuottavat jonkin verran sähkömagneettista säteilyä, koska niiden piirien ja johtojen läpi virtaava sähkö ei ole koskaan täysin suljettu. Tämä laitteesta A peräisin oleva energia, joko levinnyt ilman läpi sähkömagneettisena säteilynä tai kytkettynä (tai johdettuna pitkin) toisen laitteen B tuloihin / lähtöihin tai kaapeleihin, voi häiritä laitteen B toimintatasapainoa, mikä saa laitteen toimimaan toimintahäiriö joskus vaarallisella tavalla. Tätä laitteen A energiaa, joka häiritsee laitteen B toimintaa, kutsutaan sähkömagneettiseksi häiriöksi .

Häiriö voi joskus olla jopa luonnollisesta lähteestä, kuten sähkömyrskyistä, mutta useimmiten se johtuu yleensä toisen laitteen toiminnasta lähellä. Vaikka kaikki elektroniset laitteet tuottavat joitain EMI-tunnuksia, tietyn luokan laitteet, kuten matkapuhelimet, erityisesti LED-näytöt ja moottorit, aiheuttavat todennäköisesti häiriöitä muihin verrattuna. Koska mikään laite ei voi toimia eristetyssä ympäristössä, on tärkeää varmistaa, että laitteemme noudattavat tiettyjä standardeja, jotta häiriöt pidetään mahdollisimman vähäisinä. Nämä standardit ja määräykset tunnetaan nimellä EMI-standardi, ja jokaisen tuotteen / laitteen, jota käytetään / myydään alueilla / maissa, joissa nämä standardit ovat lain mukaisia, on oltava sertifioitu ennen kuin niitä voidaan käyttää.

Sähkömagneettisten häiriöiden tyypit (EMI)

Ennen kuin tarkastelemme standardeja ja määräyksiä, on luultavasti tärkeää tutkia EMI-tyyppisiä tietoja, jotta ymmärrät paremmin, millainen immuniteetti sinun tulisi rakentaa tuotteisiisi. Sähkömagneettiset häiriöt voidaan luokitella tyyppeihin useiden tekijöiden perusteella, mukaan lukien;

EMI-lähde
EMI: n kesto
EMI: n kaistanleveys

Tarkastelemme kutakin näistä luokista yksi toisensa jälkeen.

1. EMI-lähde

Yksi tapa luokitella EMI tyyppeihin on tutkimalla häiriön lähde ja miten se on luotu. Tähän luokkaan kuuluu periaatteessa kahta tyyppistä EMI: tä, luonnollisesti esiintyvä EMI ja ihmisen tekemä EMI. Luonnossa esiintyvä EMI viittaa sähkömagneettisten häiriöiden, jotka tapahtuvat seurauksena luonnollinen ilmiö on kuin valaistus, sähkö myrskyjen, ja muut vastaavat ilmiöt. Kun taas Man-made EMI Toisaalta, viittaa sähköisen rahan liikkeeseenlaskijaa, joita esiintyy toiminnan tuloksena muiden elektronisten laitteiden läheisyydessä laitteen (vastaanotin) kokee häiriöitä. Esimerkkejä tämän tyyppisistä EMI-laitteista ovat muun muassa radiotaajuushäiriöt, äänilaitteiden EMI.

2. Häiriön kesto

EMI: t luokitellaan myös tyyppeihin häiriön keston, eli ajanjakson perusteella, jona häiriö on koettu. Tämän perusteella EMI: t on yleensä ryhmitelty kahteen tyyppiin, Jatkuva EMI ja Impulse EMI. Jatkuva EMI viittaa sähköisen rahan liikkeeseenlaskijaa, jotka ovat jatkuvasti lähteen emittoiman. Lähde voi olla ihmisen tekemä tai luonnollinen, mutta häiriöitä koetaan jatkuvasti niin kauan kuin EMI-lähteen ja vastaanottimen välillä on kytkentämekanismi (johtuminen tai säteily). Impulssi EMIon EMI: t, jotka tapahtuvat ajoittain tai hyvin lyhyessä ajassa. Kuten jatkuvat EMI: t, Impulse EMI voi olla myös luonnossa esiintyvä tai ihmisen aiheuttama. Esimerkki sisältää kytkimistä, valaisimista ja vastaavista lähteistä koetun impulssimelun, joka voisi lähettää signaaleja, jotka aiheuttavat häiriöitä liitettyjen läheisten järjestelmien jännitteessä tai virtatasapainossa.

3. EMI: n kaistanleveys

EMI: t voidaan myös luokitella tyyppeihin kaistanleveyden perusteella. EMI: n kaistanleveys viittaa taajuuksien alueeseen, jolla EMI kokee. Tämän perusteella EMI: t voidaan luokitella kapeakaistaisiksi ja laajakaistaisiksi. Kapeakaistaisen EMI koostuu tyypillisesti yhden taajuuden tai kapeakaistaista häiriöitä taajuuksia, mahdollisesti on generoitu muodossa oskillaattorin tai seurauksena häiriösignaalien esiintyy johtuen erilaisten vääristymien lähettimen. Useimmiten niillä on yleensä vähäinen vaikutus viestintään tai elektronisiin laitteisiin, ja ne voidaan helposti virittää. Ne ovat kuitenkin edelleen voimakkaita häiriöiden lähteitä, ja ne olisi pidettävä hyväksyttävissä rajoissa. Laajakaista sähköisen rahan liikkeeseenlaskijaaovat EMI: itä, joita ei esiinny yksittäisillä / erillisillä taajuuksilla. Ne vievät suuren osan magneettispektristä, niitä on eri muodoissa ja ne voivat syntyä erilaisista ihmisen tekemistä tai luonnollisista lähteistä. Tyypillisiä syitä ovat valokaari ja korona, ja ne edustavat suurta osaa digitaalisten datalaitteiden EMI-ongelmista. Hyvä esimerkki luonnossa esiintyvästä EMI-tilanteesta on "Sun Outage", joka tapahtuu seurauksena siitä, että auringon energia häiritsee viestintäsatelliitin signaalia. Muita esimerkkejä ovat; EMI moottorien / generaattoreiden viallisten harjojen, sytytysjärjestelmien kaaren, viallisten voimajohtojen ja huonojen loistelamppujen seurauksena.

EMI: n luonne

Aikaisemmin kuvatut EMI: t ovat sähkömagneettisia aaltoja, jotka käsittävät sekä E (sähköinen) että H (magneettinen) kenttäkomponentit, värähtelemällä suorassa kulmassa toisiinsa, kuten alla on esitetty. Jokainen näistä komponenteista reagoi eri tavalla parametreihin, kuten taajuuteen, jännitteeseen, etäisyyteen ja virtaan, joten on kriittistä ymmärtää EMI: n luonne, tietää, mikä niistä on hallitseva, ennen kuin ongelmaan voidaan selvästi puuttua.

Esimerkiksi sähkökenttäosien EMI-vaimennusta voidaan parantaa materiaalien avulla, joilla on korkea johtavuus, mutta sitä voidaan vähentää materiaaleilla, joilla on lisääntynyt läpäisevyys, mikä sitä vastoin parantaa magneettikentän komponentin vaimennusta. Sellaisena lisääntynyt läpäisevyys järjestelmässä, jossa E-kentän hallitsema EMI vähentää vaimennusta, mutta vaimennus paranee H-kentän hallitsemassa EMI: ssä. Elektronisten komponenttien luomisessa käytettyjen tekniikoiden viimeaikaisen kehityksen vuoksi E-kenttä on yleensä häiriön pääkomponentti.

EMI-kytkentämekanismit

EMI-kytkentämekanismi kuvaa, kuinka EMI-laitteet pääsevät lähteestä vastaanottimeen (häiriöihin vaikuttavat laitteet). EMI: n luonteen ymmärtäminen ja sen yhdistäminen lähteestä vastaanottimeen on avain ongelman ratkaisemiseen. Näiden kahden komponentin (H-kenttä ja E-kenttä) voimanlähteenä EMI: t kytketään lähteestä vastaanottimeen neljän päätyypin EMI- kytkennän kautta, joita ne johtavat, säteily, kapasitiivinen kytkentä ja induktiivinen kytkentä. Katsotaanpa kytkentämekanismeja yksi toisensa jälkeen.

1. Johtaminen

Johtokytkentä tapahtuu, kun EMI-päästöt kulkevat johtimia (johtoja ja kaapeleita) pitkin, jotka yhdistävät EMI-lähteen ja vastaanottimen yhteen. Tällä tavalla kytketty EMI on yleinen virtalähteillä ja yleensä raskas H-kenttäosalla. Johtokytkentä voimalinjoilla voi olla joko Common Mode -johtaminen (häiriöt näkyvät vaiheittain + ve- ja -ve-linjoilla tai tx- ja rx-linjoilla) tai differentiaalitilan johtaminen (häiriöt näkyvät vaiheen ulkopuolella kahdella johtimella). Suosituin ratkaisu johtokytkentäisiin häiriöihin on suodattimien ja kaapeleiden suojauksen käyttö.

2. Säteily

Säteilykytkentä on suosituin ja yleisimmin kokenut EMI-kytkentämuoto. Toisin kuin johtimessa, siihen ei liity mitään fyysistä yhteyttä lähteen ja vastaanottimen välillä, koska häiriöt välittyvät (säteilevät) avaruuden kautta vastaanottimeen. Hyvä esimerkki säteilevästä EMI: stä on aiemmin mainittu aurinkokatkos.

3. Kapasitiivinen kytkentä

Tämä tapahtuu kahden liitetyn laitteen välillä. Kapasitiivinen kytkentä on olemassa, kun vaihtuva jännite lähteessä siirtää kapasitiivisesti varauksen uhrille

4. Induktiivinen / magneettinen kytkentä

Tämä viittaa sellaiseen EMI: hin, joka tapahtuu seurauksena siitä, että johdin aiheuttaa häiriöitä toisessa johtimessa lähellä sähkömagneettisen induktion periaatteiden perusteella.

Sähkömagneettiset häiriöt ja yhteensopivuus

EMI-standardin voidaan sanoa olevan osa sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) kutsuttua sääntelystandardia. Se sisältää luettelon suorituskykystandardeista, jotka laitteiden on täytettävä osoittaakseen, että ne pystyvät olemaan rinnakkain muiden laitteiden kanssa ja toimimaan suunnitellusti vaikuttamatta myös muiden laitteiden suorituskykyyn. Sellaiset EMI-standardit ovat pääosin osa yleisiä EMC-standardeja. Vaikka nimiä käytetään yleensä vaihdettavasti, niiden välillä on selkeä ero, mutta tämä käsitellään jatko-artikkelissa.

Eri maissa ja mantereilla / talousvyöhykkeillä on erilaisia muunnelmia näistä standardeista, mutta tässä artikkelissa tarkastelemme Federal Communications Commissionin (FCC) standardeja. FCC-standardien osaston 47 "Televiestintä" osan 15 mukaan, joka säätelee "tahatonta" radiotaajuutta, laitteita on kahta luokkaa; Luokka A ja B.

Luokan A laitteet ovat laitteita, jotka on tarkoitettu käytettäviksi teollisuudessa, toimistoissa ja muualla paitsi kodeissa, kun taas luokan B laitteet ovat kotikäyttöön tarkoitettuja laitteita, huolimatta niiden käytöstä muissa ympäristöissä.

Johtokytkentäpäästöjen osalta luokan B laitteiden, jotka on tarkoitettu käytettäväksi kotona, päästöjen odotetaan rajoittuvan alla olevassa taulukossa esitettyihin arvoihin. Seuraavat tiedot saadaan Federal Code of Federal Regulation -sivustolta.

Ja A-luokan laitteita rajat ovat;

Säteilevien päästöjen osalta odotetaan, että luokan A laitteet pysyvät alla määritellyillä taajuuksilla;

Taajuus (MHz)	µV / m
30-88	100
88 - 216	150
216 - 960	200
960 tai enemmän	500

Kun taas B-luokan laitteita, rajat ovat;

Taajuus (MHz)	µV / m
30-88	90
88 - 216	150
216 - 960	210
960 tai enemmän	300

Lisätietoja näistä standardeista löytyy eri sääntelyelinten sivuilta.

Näiden laitteiden EMC-standardien noudattaminen edellyttää EMI-suojausta neljällä tasolla: yksittäisten komponenttien tasolla, piirilevy / piirilevy, järjestelmätaso ja järjestelmän koko taso. Tämän saavuttamiseksi kaksi suurta toimenpidettä; Sähkömagneettista suojausta ja maadoitusta käytetään yleensä, vaikka käytetään myös muita tärkeitä toimenpiteitä, kuten suodatusta. Useimpien elektronisten laitteiden suljetun luonteen vuoksi EMI-suojausta käytetään yleensä järjestelmätasolla, jotta se sisältää sekä säteilevät että johtavat EMI: t EMC-standardien noudattamisen varmistamiseksi. Sellaisena tarkastelemme käytännön näkökohtia suojan suhteen EMI-suojauksen toimenpiteenä.

Sähkömagneettinen suojaus - Suojaa suunnittelua EMI: ltä

Suojaus on yksi tärkeimmistä toimenpiteistä sähköisten tuotteiden EMI: n vähentämiseksi. Siihen sisältyy metallisen kotelon / suojan käyttö elektroniikkaan tai kaapeleihin. Tietyissä laitteissa / tilanteissa, joissa koko tuotteen suojaaminen voi olla liian kallista tai epäkäytännöllistä, tärkeimmät komponentit, jotka voivat olla EMI-lähde / pesuallas, on suojattu. Tämä on erityisen yleistä useimmissa esisertifioiduissa tiedonsiirtomoduuleissa ja siruissa.

Fyysinen suojaus vähentää EMIä vaimentamalla (heikentämällä) EMI-signaaleja heijastamalla ja absorboimalla sen aaltoja. Metallisuojat on suunniteltu siten, että ne pystyvät heijastamaan E-kentän komponenttia samalla kun niillä on suuri magneettinen läpäisevyys absorboimaan EMI: n H-kentän komponentti. Kaapeleissa signaalijohtoja ympäröi johtava ulompi kerros, joka on maadoitettu toisesta tai molemmista päistä, kun taas koteloiden osalta johtava metallikotelo toimii häiriösuojana.

Ihannetapauksessa täydellinen EMC-kotelo olisi valmistettu tiheästä materiaalista, kuten teräksestä, täysin suljettu kaikilta puolilta ilman kaapeleita, joten aalto ei kulje sisään tai ulos, mutta useita näkökohtia, kuten tarve, koteloiden alhaiset kustannukset, lämmönhallinta, huolto-, virta- ja datakaapelit, tekevät tällaisista ihanteista epäkäytännöllisiä. Koska jokainen luotu reikä, koska nämä tarpeet ovat potentiaalisia sisään- / uloskäyntikohteita EMI-laitteille, suunnittelijoiden on pakko toteuttaa useita toimenpiteitä varmistaakseen, että laitteen kokonaisteho on päivän lopulla edelleen EMC-standardin sallittujen rajojen sisällä..

Suojaavat käytännön näkökohdat

Kuten edellä mainittiin, useita käytännön näkökohtia vaaditaan suojataessa koteloilla tai suojakaapeleilla. Tuotteille, joilla on kriittiset EMI-mahdollisuudet (terveys, ilmailu, sähkö, viestintä, armeija ja niin edelleen), on tärkeää, että tuotesuunnittelutiimit koostuvat henkilöistä, joilla on asianmukaista kokemusta suojaamisesta ja yleisistä EMI-tilanteista. Tämä osa antaa laajan yleiskuvan joistakin mahdollisista vinkeistä tai EMI-suojauksesta.

1. Kaapin ja kotelon suunnittelu

Kuten edellä mainittiin, on mahdotonta suunnitella koteloita ilman tiettyjä aukkoja toimimaan tuuletusritilöinä, kaapelireikinä, ovina ja muun muassa kytkiminä. Näitä koteloiden aukkoja niiden koosta tai muodosta riippumatta, joiden kautta EM-aalto voi tulla koteloon tai poistua kotelosta, kutsutaan aikaväliksi. Rakot on suunniteltava siten, että niiden pituus ja suunta suhteessa RFI-taajuuteen eivät muuta niitä aaltojohteeksi, kun taas ilmanvaihtosäleiköiden koon ja järjestelyn tulisi säilyttää oikea tasapaino lämpövaatimusten ylläpitämiseen tarvittavan ilmavirran välillä piiriin ja kyky hallita EMI: tä tarvittavan signaalin vaimennuksen ja mukana olevan RFI-taajuuden perusteella.

Kriittisissä sovelluksissa, kuten sotatarvikkeissa, aukot, kuten ovet jne., Ovat yleensä sidottu erikoistuneisiin tiivisteisiin, joita kutsutaan EMI-tiivisteiksi. Niitä on erityyppisiä, mukaan lukien neulottu metalliverkko ja metalliset spiraalitiivisteet, mutta useita suunnittelutekijöitä (yleensä kustannukset / edut) otetaan huomioon ennen tiivisteen valintaa. Kolikkopelien lukumäärän tulisi olla mahdollisimman pieni ja koon mahdollisimman pieni.

2. Kaapelit

Joissakin koteloissa voi olla kaapeliaukot; tämä on otettava huomioon myös kotelon suunnittelussa. Sisään

Tämän lisäksi kaapelit toimivat myös välineenä johtaville EMI-laitteille sinänsä kriittisissä laitteissa, kaapelit käyttävät punottua suojaa, joka maadoitetaan. Vaikka tämä lähestymistapa on kallis, se on tehokkaampi. Alhaisissa kustannustilanteissa hyllylle asetetut ratkaisut, kuten ferriittihelmet, sijoitetaan tiettyihin kohtiin kaapeleiden reunaan. Piirilevytasolla suodattimet toteutetaan myös syöttöjohtoja pitkin.

Parhaat käytännöt EMI-testien läpäisemiseksi

Jotkut EMI: n suunnittelukäytännöt, erityisesti hallitustasolla, pitävät EMI: n kurissa.

Käytä esisertifioituja moduuleja. Erityisesti viestinnän kannalta jo sertifioitujen moduulien käyttö vähentää työryhmän tehtävää suojauksessa ja vähentää sertifiointikustannuksia tuotteellesi. Pro-vinkki: Suunnittele uusi virtalähde projektillesi sen sijaan, että se olisi yhteensopiva olemassa olevien virtalähteiden kanssa. Tämä säästää kustannuksia virtalähteen sertifioinnissa.
Pidä nykyiset silmukat pieninä. Johtimen kyky kytkeä energia induktiolla ja säteilyllä laskee pienemmällä silmukalla, joka toimii antennina
Käytä kuparipainettujen piirilevyjen (PC) jälkiä varten pareittain (matala impedanssi) juovia, jotka on kohdistettu toistensa ylä- ja alapuolelle.
Sijoita suodattimet häiriölähteeseen, pohjimmiltaan mahdollisimman lähelle tehomoduulia. Suodatinkomponenttien arvot on valittava ottaen huomioon haluttu taajuusalue. Esimerkiksi kondensaattorit resonoivat itsensä tietyillä taajuuksilla, joiden ulkopuolella ne toimivat induktiivisesti. Pidä ohituskondensaattorin johtimet mahdollisimman lyhyinä.
Aseta komponentit piirilevylle ottaen huomioon melulähteiden läheisyys mahdollisesti herkkiin piireihin.
Sijoita erotuskondensaattorit mahdollisimman lähelle muunninta, erityisesti X- ja Y-kondensaattoreita.
Käytä maatasoja mahdollisuuksien mukaan säteilevän kytkennän minimoimiseksi, herkkien solmujen poikkipinta-alan minimoimiseksi ja suurten nykyisten solmujen, kuten tavallisten kondensaattoreiden, poikkileikkauksen pinta-alan minimoimiseksi.
Pinta-asennettavat laitteet (SMD) ovat parempia kuin lyijylaitteet käsitellessään radiotaajuusenergiaa johtuen pienemmistä induktansseista ja lähemmistä komponenttien sijoitteluista.

Kaiken kaikkiaan on tärkeää, että tiimissäsi on näitä suunnittelukokemuksia omaavia henkilöitä kehitysprosessin aikana, koska se auttaa säästämään sertifiointikustannuksia ja varmistaa myös järjestelmän ja sen suorituskyvyn vakauden ja luotettavuuden.