Interferenza elettromagnetica (emi) - tipi, standard e tecniche di schermatura

La certificazione è solitamente una delle fasi più costose e noiose durante lo sviluppo di un nuovo prodotto hardware. Aiuta le autorità a sapere che il prodotto aderisce a tutte le leggi e linee guida stabilite in merito alle funzioni. In questo modo, le prestazioni di quel particolare prodotto possono essere assicurate per prevenire pericoli e danni ai suoi utenti. Per quanto questa fase sia noiosa di solito, è importante che le aziende produttrici pianifichino in anticipo per annullare le complessità dell'ultimo minuto. Per l'articolo di oggi, esamineremo EMI Design Standardche è una pratica molto comune che i designer devono tenere a mente per sviluppare prodotti di qualità. Esamineremo l'EMI in dettaglio e ne esamineremo i tipi, la natura, le specifiche e gli standard, i meccanismi di accoppiamento e schermatura e le migliori pratiche per superare i test EMI.

Standard EMI: come è iniziato tutto?

Lo standard EMI (Electromagnetic Interference) è stato originariamente creato per proteggere i circuiti elettronici dalle interferenze elettromagnetiche che potrebbero impedire loro di funzionare nel modo in cui erano stati originariamente progettati. Queste interferenze a volte potrebbero persino causare un malfunzionamento completo del dispositivo che potrebbe diventare pericoloso per gli utenti. Divenne per la prima volta una preoccupazione negli anni '50 ed era principalmente di interesse per i militari a causa di alcuni incidenti notevoli derivanti da guasti di navigazione dovuti a interferenze elettromagnetiche nei sistemi di navigazione e emissioni radar che portavano al rilascio involontario di armi. In quanto tali, i militari volevano garantire che i sistemi fossero compatibili tra loro e che le operazioni di uno non influissero sull'altro in quanto ciò potrebbe portare a vittime nella loro imbarcazione.

Oltre alle applicazioni militari, i recenti progressi nelle soluzioni relative alla medicina e alla salute come i pacemaker e altri tipi di CIED, hanno anche contribuito alla necessità di regolamenti EMI poiché l'interferenza in dispositivi come questo potrebbe portare a situazioni di pericolo di vita.

Questi, tra gli altri scenari, sono ciò che ha portato alla creazione dello standard di interferenza EMI e con il gran numero di organismi di regolamentazione EMC che sono stati stabiliti.

Cos'è l'interferenza elettromagnetica (EMI)?

L'interferenza elettromagnetica può essere definita come energia elettromagnetica indesiderata che disturba il corretto funzionamento di un dispositivo elettronico. Tutti i dispositivi elettronici generano una certa quantità di radiazioni elettromagnetiche poiché l'elettricità che scorre attraverso i suoi circuiti e fili non è mai completamente contenuta. Questa energia dal dispositivo "A", propagata attraverso l'aria come radiazione elettromagnetica, o accoppiata a (o condotta lungo) I / O o cavi di un altro dispositivo "B", potrebbe disturbare l'equilibrio operativo nel dispositivo B, provocando il malfunzionamenti a volte in modo pericoloso. Questa energia proveniente dal dispositivo A che interferisce con il funzionamento del dispositivo B viene definita interferenza elettromagnetica .

L'interferenza a volte può anche provenire da una fonte naturale come le tempeste elettriche, ma il più delle volte, di solito è il risultato delle azioni di un altro dispositivo nelle immediate vicinanze. Sebbene tutti i dispositivi elettronici generino alcune EMI, una certa classe di dispositivi come telefoni cellulari, display a LED e motori in particolare, hanno maggiori probabilità di generare interferenze rispetto ad altre. Poiché nessun dispositivo può funzionare in un ambiente isolato, è importante garantire che i nostri dispositivi aderiscano a determinati standard per garantire che le interferenze siano ridotte al minimo. Questi standard e regolamenti sono noti come standard EMI e ogni prodotto / dispositivo da utilizzare / vendere in regioni / paesi in cui questi standard sono legali, deve essere certificato prima di poter essere utilizzato.

Tipi di interferenza elettromagnetica (EMI)

Prima di esaminare lo standard e le normative, è probabilmente importante esaminare il tipo di EMI per comprendere meglio il tipo di immunità che dovrebbe essere incorporata nei prodotti. L'interferenza elettromagnetica può essere classificata in tipi basati su diversi fattori, tra cui;

Fonte di EMI
Durata dell'EMI
Larghezza di banda di EMI

Esamineremo ciascuna di queste categorie una dopo l'altra.

1. Fonte di EMI

Un modo per classificare gli EMI in tipi è esaminare la fonte dell'interferenza e il modo in cui è stata creata. In questa categoria, ci sono fondamentalmente due tipi di EMI, EMI naturale e EMI artificiale. L' EMI che si verifica in natura si riferisce alle interferenze elettromagnetiche che si verificano come risultato di fenomeni naturali come illuminazione, tempeste elettriche e altri eventi simili. Mentre EMI artificiale, d'altra parte, si riferisce a EMI che si verificano a seguito delle attività di altri dispositivi elettronici nelle vicinanze del dispositivo (ricevitore) che subisce l'interferenza. Esempi di questo tipo di EMI includono, tra gli altri, interferenze in radiofrequenza, EMI in apparecchiature audio.

2. Durata dell'interferenza

Gli EMI sono anche classificati in tipi basati sulla durata dell'interferenza, cioè il periodo di tempo per il quale l'interferenza è stata sperimentata. Sulla base di ciò, le EMI sono generalmente raggruppate in due tipi, EMI continua e EMI a impulsi. L' EMI continua si riferisce agli EMI emessi continuamente da una sorgente. La sorgente può essere artificiale o naturale, ma l'interferenza è sperimentata continuamente, fintanto che esiste un meccanismo di accoppiamento (conduzione o radiazione) tra la sorgente EMI e il ricevitore. Impulse EMIsono EMI che si verificano in modo intermittente o entro una durata molto breve. Come le EMI continue, anche le EMI Impulse potrebbero essere presenti in natura o prodotte dall'uomo. L'esempio include il rumore impulsivo sperimentato da interruttori, luci e sorgenti simili che potrebbero emettere segnali che causano un disturbo nell'equilibrio di tensione o corrente dei sistemi vicini collegati.

3. Larghezza di banda di EMI

Gli EMI possono anche essere classificati in tipi utilizzando la loro larghezza di banda. La larghezza di banda di una EMI si riferisce alla gamma di frequenze su cui viene sperimentata la EMI. Sulla base di questo, gli EMI possono essere classificati in EMI a banda stretta e EMI a banda larga. L' EMI a banda stretta consiste tipicamente in una singola frequenza o una banda stretta di frequenze di interferenza, che possono essere generate da una forma di oscillatore o come risultato di segnali spuri che si verificano a causa di diversi tipi di distorsione in un trasmettitore. Nella maggior parte dei casi, di solito hanno un effetto minore sulle comunicazioni o sulle apparecchiature elettroniche e possono essere disattivati facilmente. Tuttavia, rimangono una potente fonte di interferenza e devono essere mantenuti entro limiti accettabili. Gli EMI a banda largasono EMI che non si verificano su frequenze singole / discrete. Occupano gran parte dello spettro magnetico, esistono in forme diverse e possono derivare da diverse fonti artificiali o naturali. Le cause tipiche includono arco e corona e rappresentano la fonte di una buona percentuale di problemi EMI nelle apparecchiature di dati digitali. Un buon esempio di una situazione EMI che si verifica in natura è "Sun Outage", che si verifica a causa dell'energia solare che interrompe il segnale da un satellite di comunicazione. Altri esempi includono; EMI a causa di spazzole difettose nei motori / generatori, archi elettrici nei sistemi di accensione, linee elettriche difettose e lampade fluorescenti difettose.

Natura dell'EMI

Le EMI come descritto in precedenza, sono onde elettromagnetiche che comprendono sia i componenti del campo E (elettrico) che H (magnetico), che oscillano ad angolo retto tra loro come mostrato di seguito. Ciascuno di questi componenti risponde in modo diverso a parametri come frequenza, tensione, distanza e corrente, quindi è fondamentale comprendere la natura dell'EMI, per sapere quale di essi è dominante prima che il problema possa essere affrontato chiaramente.

Ad esempio, per i componenti del campo elettrico, l'attenuazione EMI può essere migliorata tramite materiali con elevata conduttività, ma ridotta da materiali con maggiore permeabilità, che al contrario migliora l'attenuazione per il componente del campo magnetico. Pertanto, una maggiore permeabilità in un sistema con EMI dominata da campo E ridurrà l'attenuazione, ma l'attenuazione migliorerà in una EMI dominata da campo H. Tuttavia, a causa dei recenti progressi nelle tecnologie utilizzate nella creazione di componenti elettronici, il campo elettrico è solitamente il componente principale dell'interferenza.

Meccanismi di accoppiamento EMI

Il meccanismo di accoppiamento EMI descrive il modo in cui gli EMI arrivano dalla sorgente al ricevitore (dispositivi interessati). Comprendere la natura dell'EMI e il modo in cui viene accoppiato dalla sorgente al ricevitore è la chiave per affrontare il problema. Alimentati dai due componenti (campo H e campo E), gli EMI sono accoppiati da una sorgente a un ricevitore tramite quattro tipi principali di accoppiamento EMI a conduzione, radiazione, accoppiamento capacitivo e accoppiamento induttivo. Diamo uno sguardo uno dopo l'altro ai meccanismi di accoppiamento.

1. Conduzione

L'accoppiamento di conduzione si verifica quando le emissioni EMI vengono trasmesse lungo conduttori (fili e cavi) che collegano insieme la sorgente dell'EMI e il ricevitore. EMI accoppiato in questo modo è comune sulle linee di alimentazione e solitamente pesante sul componente di campo H. L'accoppiamento di conduzione sulle linee elettriche può essere una conduzione di modo comune (l'interferenza appare in fase sulla linea + ve e -ve o linee tx e rx) o una conduzione di modo differenziale (l'interferenza appare sfasata su due conduttori). La soluzione più diffusa alle interferenze conduttive è l'uso di filtri e schermatura sui cavi.

2. Radiazione

L'accoppiamento per radiazioni è la forma più popolare e comunemente sperimentata di accoppiamento EMI. A differenza della conduzione, non comporta alcun collegamento fisico tra la sorgente e il ricevitore poiché l'interferenza viene emessa (irradiata) attraverso lo spazio verso il ricevitore. Un buon esempio di EMI irradiata è l'interruzione del sole menzionata in precedenza.

3. Accoppiamento capacitivo

Ciò si verifica tra due dispositivi collegati. L'accoppiamento capacitivo esiste quando una tensione variabile nella sorgente trasferisce capacitivamente una carica alla vittima

4. Accoppiamento induttivo / magnetico

Questo si riferisce al tipo di EMI che si verifica a seguito di un conduttore che induce interferenze in un altro conduttore vicino in base ai principi dell'induzione elettromagnetica.

Interferenza e compatibilità elettromagnetica

Si può dire che lo standard EMI fa parte dello standard normativo chiamato Compatibilità elettromagnetica (EMC). Contiene un elenco di standard di prestazioni che i dispositivi devono soddisfare per dimostrare che sono in grado di coesistere con altri dispositivi e di funzionare come previsto senza influire anche sulle prestazioni degli altri dispositivi. In quanto tali standard EMI fanno essenzialmente parte degli standard EMC generali. Sebbene i nomi siano solitamente usati in modo intercambiabile, esiste una chiara differenza tra loro, ma questa sarà trattata in un articolo successivo.

Diversi paesi e continenti / zone economiche hanno diverse variazioni di questi standard, ma per questo articolo prenderemo in considerazione gli standard della Federal Communications Commission (FCC). Secondo la Parte 15 del Titolo 47: Telecomunicazioni, degli Standard FCC, che regola la radiofrequenza "non intenzionale", esistono due classi di dispositivi; Classe A e B.

I dispositivi di classe A sono dispositivi destinati all'uso nell'industria, negli uffici, ovunque tranne che nelle case, mentre i dispositivi di classe B sono dispositivi destinati all'uso domestico, nonostante il suo utilizzo in altri ambienti.

In termini di emissioni per conduzione accoppiata, per i dispositivi di Classe B destinati ad essere utilizzati in casa, si prevede che le emissioni saranno limitate ai valori riportati nella tabella sottostante. Le seguenti informazioni sono ottenute dal sito Web del codice elettronico del regolamento federale.

Per i dispositivi di classe A i limiti sono;

Per le emissioni irradiate, si prevede che i dispositivi di Classe A rimangano entro il limite sotto per le frequenze specificate;

Frequenza (MHz)	µV / m
Da 30 a 88	100
88 a 216	150
216 a 960	200
960 e versioni successive	500

Mentre per i dispositivi di Classe B, i limiti sono;

Frequenza (MHz)	µV / m
Da 30 a 88	90
88 a 216	150
216 a 960	210
960 e versioni successive	300

Maggiori informazioni su questi standard possono essere trovate sulla pagina dei diversi organismi di regolamentazione.

La conformità a questi standard EMC per i dispositivi richiede la protezione EMI a quattro livelli: il livello del singolo componente, il livello della scheda / PCB, il livello del sistema e il livello del sistema generale. Per raggiungere questo obiettivo, due misure principali; Di solito vengono utilizzati schermatura e messa a terra elettromagnetica, sebbene vengano impiegate anche altre misure importanti come il filtraggio. A causa della natura racchiusa della maggior parte dei dispositivi elettronici, la schermatura EMI viene solitamente applicata a livello di sistema per contenere EMI irradiate e condotte per garantire la conformità agli standard EMC. Pertanto, esamineremo considerazioni pratiche sulla schermatura come misura per la protezione EMI.

Schermatura elettromagnetica - Proteggi il tuo design dalle EMI

La schermatura è una delle principali misure adottate per ridurre le EMI nei prodotti elettronici. Implica l'uso di una custodia / schermatura metallica per l'elettronica o i cavi. In alcune apparecchiature / situazioni in cui la schermatura dell'intero prodotto potrebbe essere troppo costosa o poco pratica, i componenti più critici che potrebbero essere una sorgente / dissipatore EMI sono schermati. Ciò è particolarmente comune nella maggior parte dei moduli e chip di comunicazione pre-certificati.

La schermatura fisica riduce le EMI attenuando (indebolendo) i segnali EMI attraverso la riflessione e l'assorbimento delle sue onde. Gli schermi metallici sono progettati in modo tale da poter riflettere la componente di campo E pur possedendo un'elevata permeabilità magnetica per assorbire la componente di campo H dell'EMI. Nei cavi, i fili del segnale sono circondati da uno strato conduttivo esterno che è collegato a terra a una o entrambe le estremità, mentre per gli involucri un alloggiamento metallico conduttivo funge da schermo di interferenza.

Idealmente, la custodia EMC perfetta sarebbe quella realizzata con un materiale denso come l'acciaio, completamente sigillata su tutti i lati senza cavi in modo che nessuna onda viaggi dentro o fuori, ma diverse considerazioni, come la necessità di, basso costo sulle custodie, gestione del calore, manutenzione, alimentazione e cavi dati, tra gli altri, rendono tali ideali impraticabili. Con ciascuno dei buchi creati, essendo queste esigenze un potenziale punto di ingresso / uscita per EMI, i progettisti sono costretti ad adottare diverse misure per garantire che le prestazioni complessive del dispositivo siano ancora entro gli intervalli consentiti dello standard EMC alla fine della giornata.

Considerazioni pratiche sulla schermatura

Come accennato in precedenza, durante la schermatura con custodie o cavi di schermatura sono necessarie diverse considerazioni pratiche. Per i prodotti con possibilità EMI critiche (salute, aviazione, alimentazione, comunicazione, militare e così via), è importante che i team di progettazione del prodotto comprendano persone con esperienza pertinente in situazioni di schermatura e EMI generali. Questa sezione fornisce un'ampia panoramica di alcuni dei possibili suggerimenti o schermatura EMI.

1. Design del cabinet e della custodia

Come accennato in precedenza, è impossibile progettare involucri senza determinate aperture che fungano da griglie di ventilazione, fori per cavi, porte e per cose come interruttori tra gli altri. Queste aperture sugli involucri, indipendentemente dalla loro dimensione o forma, attraverso le quali un'onda EM può entrare o uscire dall'armadio, in termini EMI, sono indicate come slot. Le fessure devono essere progettate in modo tale che la loro lunghezza e orientamento rispetto alla Frequenza RFI non le trasformi in una guida d'onda, mentre la loro dimensione e disposizione nel caso delle griglie di ventilazione dovrebbe mantenere un giusto equilibrio tra il flusso d'aria necessario per mantenere i requisiti termici dei circuiti e la capacità di controllare l'EMI in base all'attenuazione del segnale richiesta e alla frequenza RFI coinvolta.

Nelle applicazioni critiche come le apparecchiature militari, le fessure come le porte, ecc. Sono solitamente allacciate con guarnizioni speciali chiamate guarnizioni EMI. Sono disponibili in diversi tipi, tra cui reti metalliche a maglia e guarnizioni a spirale metallica, ma prima di scegliere la guarnizione vengono presi in considerazione diversi fattori di progettazione (di solito costi / benefici). Nel complesso, il numero di slot dovrebbe essere il minimo possibile e la dimensione dovrebbe essere la più piccola possibile.

2. Cavi

Alcune custodie possono essere richieste per avere aperture per i cavi; questo deve essere preso in considerazione anche nella progettazione della custodia. In

Oltre a questo, i cavi servono anche come mezzo di EMI condotte in quanto tali in apparecchiature critiche, i cavi utilizzano una schermatura intrecciata che viene quindi messa a terra. Sebbene questo approccio sia costoso, è più efficace. Tuttavia, in situazioni a basso costo, soluzioni standard come le perle di ferrite vengono posizionate in posizioni specifiche sul bordo dei cavi. A livello di scheda PCB, i filtri sono implementati anche lungo le linee di alimentazione in ingresso.

Migliori pratiche per superare i test EMI

Alcune delle pratiche di progettazione EMI, specialmente a livello di consiglio, per tenere sotto controllo EMI includono;

Usa moduli pre-certificati. Soprattutto per la comunicazione, l'utilizzo di moduli già certificati riduce la quantità di lavoro che il team deve svolgere per la schermatura e riduce il costo della certificazione del prodotto. Suggerimento: invece di progettare un nuovo alimentatore per il tuo progetto, progetta il progetto in modo che sia compatibile con gli alimentatori standard esistenti. Ciò consente di risparmiare sui costi di certificazione dell'alimentazione.
Mantieni piccoli i loop di corrente. La capacità di un conduttore di accoppiare energia per induzione e radiazione viene ridotta con un anello più piccolo, che funge da antenna
Per coppie di tracce su scheda a circuito stampato (PC) in rame, utilizzare tracce larghe (a bassa impedenza) allineate una sopra e sotto l'altra.
Individuare i filtri alla fonte di interferenza, sostanzialmente il più vicino possibile al modulo di alimentazione. I valori dei componenti del filtro devono essere scelti tenendo presente la gamma di frequenze di attenuazione desiderata. Ad esempio, i condensatori si auto-risuonano a determinate frequenze, oltre le quali agiscono in modo induttivo. Mantenere i cavi del condensatore di bypass il più corti possibile.
Posizionare i componenti sul PCB tenendo in considerazione la vicinanza di sorgenti di rumore a circuiti potenzialmente sensibili.
Posizionare i condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile al convertitore, in particolare i condensatori X e Y.
Utilizzare piani di massa quando possibile per ridurre al minimo l'accoppiamento irradiato, ridurre al minimo l'area della sezione trasversale dei nodi sensibili e ridurre al minimo l'area della sezione trasversale dei nodi ad alta corrente che possono irradiarsi come quelli dei condensatori di modo comune
I dispositivi a montaggio superficiale (SMD) sono migliori dei dispositivi con piombo nel trattamento dell'energia RF a causa delle induttanze ridotte e dei posizionamenti più ravvicinati dei componenti disponibili.

Tutto sommato, è importante avere persone con queste esperienze di progettazione nel tuo team durante il processo di sviluppo in quanto aiuta a risparmiare sui costi di certificazione e garantisce anche la stabilità e l'affidabilità del tuo sistema e delle sue prestazioni.