Elektromagnetische Interferenz (emi) - Typen, Standards und Abschirmtechniken

Die Zertifizierung ist normalerweise eine der teuersten und langwierigsten Phasen bei der Entwicklung eines neuen Hardwareprodukts. Es hilft den Behörden zu wissen, dass das Produkt alle festgelegten Gesetze und Richtlinien rund um die Funktionen einhält. Auf diese Weise kann die Leistung dieses bestimmten Produkts sichergestellt werden, um Gefahren und Schäden für die Benutzer zu vermeiden. So langwierig diese Phase auch ist, es ist wichtig, dass die Produktunternehmen dies im Voraus planen, um die Komplexität in letzter Minute zu beseitigen. Für den heutigen Artikel betrachten wir den EMI Design StandardDies ist eine sehr verbreitete Praxis, die Designer berücksichtigen müssen, um Qualitätsprodukte zu entwickeln. Wir werden EMI im Detail betrachten und seine Typen, Art, Spezifikationen und Standards, Kopplungs- und Abschirmmechanismen sowie Best Practices für das Bestehen von EMI-Tests untersuchen.

EMI-Standards - Wie alles begann?

Der EMI-Standard (Electromagnetic Interference) wurde ursprünglich entwickelt, um elektronische Schaltkreise vor elektromagnetischen Störungen zu schützen, die sie möglicherweise daran hindern, die ursprünglich vorgesehene Leistung zu erbringen. Diese Störungen können manchmal sogar zu einer vollständigen Fehlfunktion des Geräts führen, die für Benutzer gefährlich werden kann. Es wurde zum ersten Mal in den 1950er Jahren zu einem Problem und war vor allem für das Militär von Interesse, da einige bemerkenswerte Unfälle auf Navigationsfehler aufgrund elektromagnetischer Störungen in Navigationssystemen und Radaremissionen zurückzuführen waren, die zu einer versehentlichen Waffenfreigabe führten. Als solches wollte das Militär sicherstellen, dass die Systeme miteinander kompatibel sind und die Operationen des einen das andere nicht beeinflussen, da dies zu Todesfällen in ihrem Fahrzeug führen könnte.

Abgesehen von militärischen Anwendungen haben die jüngsten Fortschritte bei Lösungen für Medizin und Gesundheit wie Herzschrittmacher und andere Arten von CIEDs auch zur Notwendigkeit von EMI-Vorschriften beigetragen, da Störungen in solchen Geräten zu lebensbedrohlichen Situationen führen können.

Diese Szenarien haben unter anderem zur Festlegung des EMI-Interferenzstandards und zu einer großen Anzahl von EMV-Regulierungsbehörden geführt, die eingerichtet wurden.

Was ist elektromagnetische Interferenz (EMI)?

Elektromagnetische Interferenz kann als unerwünschte elektromagnetische Energie definiert werden, die das ordnungsgemäße Funktionieren eines elektronischen Geräts stört. Alle elektronischen Geräte erzeugen eine gewisse Menge elektromagnetischer Strahlung, da der durch ihre Schaltkreise und Drähte fließende Strom niemals vollständig enthalten ist. Diese Energie von Gerät „A“, die sich entweder als elektromagnetische Strahlung durch die Luft ausbreitet oder in E / A oder Kabel eines anderen Geräts „B“ eingekoppelt (oder entlang dieser geleitet) wird, kann das Betriebsgleichgewicht in Gerät B stören und dazu führen, dass das Gerät dies tut Fehlfunktion manchmal auf gefährliche Weise. Diese Energie von Gerät A, die den Betrieb von Gerät B stört, wird als elektromagnetische Interferenz bezeichnet .

Die Störung kann manchmal sogar von einer natürlichen Quelle wie Gewittern ausgehen, ist jedoch meistens auf die Aktionen eines anderen Geräts in unmittelbarer Nähe zurückzuführen. Während alle elektronischen Geräte einige EMIs erzeugen, erzeugen bestimmte Geräte wie Mobiltelefone, LED-Displays und Motoren im Vergleich zu anderen eher Störungen. Da kein Gerät in einer isolierten Umgebung betrieben werden kann, ist es wichtig sicherzustellen, dass unsere Geräte bestimmten Standards entsprechen, um Störungen so gering wie möglich zu halten. Diese Normen und Vorschriften werden als EMI-Norm bezeichnet. Jedes Produkt / Gerät, das in Regionen / Ländern verwendet / verkauft werden soll, in denen diese Normen gesetzlich vorgeschrieben sind, muss zertifiziert sein, bevor es verwendet werden kann.

Arten von elektromagnetischen Störungen (EMI)

Bevor wir uns die Standards und Vorschriften ansehen, ist es wahrscheinlich wichtig, die Art der EMI zu untersuchen, um die Art der Immunität, die in Ihre Produkte eingebaut werden sollte, besser zu verstehen. Elektromagnetische Interferenzen können anhand verschiedener Faktoren in Typen eingeteilt werden, darunter:

Quelle von EMI
Dauer der EMI
Bandbreite von EMI

Wir werden jede dieser Kategorien nacheinander betrachten.

1. Quelle von EMI

Eine Möglichkeit, EMIs in Typen zu kategorisieren, besteht darin, die Ursache der Interferenz und ihre Entstehung zu untersuchen. In dieser Kategorie gibt es grundsätzlich zwei Arten von EMI: natürlich auftretende EMI und künstliche EMI. Das natürlich auftretende EMI bezieht sich auf elektromagnetische Störungen, die als Folge von Naturphänomenen wie Beleuchtung, Gewittern und ähnlichen Ereignissen auftreten. Während künstliche EMI andererseits EMIs sind, die als Ergebnis der Aktivitäten anderer elektronischer Geräte in der Nähe des Geräts (Empfängers) auftreten, bei denen die Störung auftritt. Beispiele für diese Art von EMIs sind unter anderem Hochfrequenzstörungen, EMI in Tongeräten.

2. Dauer der Interferenz

EMIs werden auch basierend auf der Dauer der Interferenz, dh dem Zeitraum, für den die Interferenz aufgetreten ist, in Typen eingeteilt. Auf dieser Grundlage werden EMIs normalerweise in zwei Typen eingeteilt: kontinuierliche EMI und Impuls-EMI. Das kontinuierliche EMI bezieht sich auf EMIs, die kontinuierlich von einer Quelle emittiert werden. Die Quelle kann künstlich oder natürlich sein, aber die Interferenz wird kontinuierlich erfahren, solange ein Kopplungsmechanismus (Leitung oder Strahlung) zwischen der EMI-Quelle und dem Empfänger besteht. Impuls-EMIsind EMIs, die zeitweise oder innerhalb sehr kurzer Zeit auftreten. Wie die kontinuierlichen EMIs kann auch die Impuls-EMI natürlich vorkommen oder von Menschen verursacht sein. Das Beispiel umfasst Impulsrauschen von Schaltern, Beleuchtungen und ähnlichen Quellen, die Signale aussenden können, die eine Störung des Spannungs- oder Stromgleichgewichts angeschlossener Systeme in der Nähe verursachen.

3. Bandbreite von EMI

EMIs können auch anhand ihrer Bandbreite in Typen eingeteilt werden. Die Bandbreite eines EMI bezieht sich auf den Frequenzbereich, auf dem das EMI auftritt. Auf dieser Grundlage können EMIs in Schmalband-EMI und Breitband-EMI unterteilt werden. Die Schmalband-EMI besteht typischerweise aus einer einzelnen Frequenz oder einem Schmalband von Interferenzfrequenzen, die möglicherweise durch eine Art Oszillator oder als Ergebnis von Störsignalen erzeugt werden, die aufgrund verschiedener Arten von Verzerrungen in einem Sender auftreten. In den meisten Fällen haben sie nur geringe Auswirkungen auf die Kommunikation oder elektronische Geräte und können problemlos ausgeschaltet werden. Sie bleiben jedoch eine starke Störquelle und sollten in akzeptablen Grenzen gehalten werden. Die Breitband-EMIssind EMIs, die bei einzelnen / diskreten Frequenzen nicht auftreten. Sie nehmen einen großen Teil des Magnetspektrums ein, existieren in verschiedenen Formen und können aus verschiedenen künstlichen oder natürlichen Quellen stammen. Typische Ursachen sind Lichtbogenbildung und Korona. Sie sind die Ursache für einen guten Prozentsatz der EMI-Probleme in digitalen Datengeräten. Ein gutes Beispiel für eine natürlich vorkommende EMI-Situation ist der „Sonnenausfall“, der dadurch entsteht, dass die Sonnenenergie das Signal eines Kommunikationssatelliten stört. Andere Beispiele umfassen; EMI infolge fehlerhafter Bürsten in Motoren / Generatoren, Lichtbögen in Zündsystemen, defekten Stromleitungen und defekten Leuchtstofflampen.

Art der EMI

EMIs, wie zuvor beschrieben, sind elektromagnetische Wellen, die sowohl die E- (elektrisch) als auch die H- (magnetisch) Feldkomponenten umfassen und im rechten Winkel zueinander schwingen, wie unten gezeigt. Jede dieser Komponenten reagiert unterschiedlich auf Parameter wie Frequenz, Spannung, Entfernung und Strom. Daher ist es wichtig, die Art der EMI zu verstehen und zu wissen, welche von ihnen dominiert, bevor das Problem klar angegangen werden kann.

Beispielsweise kann für die elektrischen Feldkomponenten die EMI-Dämpfung über Materialien mit hoher Leitfähigkeit verbessert, jedoch durch Materialien mit erhöhter Permeabilität verringert werden, was im Gegensatz dazu die Dämpfung für die Magnetfeldkomponente verbessert. Daher wird eine erhöhte Permeabilität in einem System mit E-Feld-dominierter EMI die Dämpfung verringern, aber die Dämpfung wird sich in einer H-Feld-dominierten EMI verbessern. Aufgrund der jüngsten Fortschritte bei den Technologien zur Herstellung elektronischer Komponenten ist das E-Feld jedoch normalerweise die Hauptkomponente der Interferenz.

EMI-Kopplungsmechanismen

Der EMI-Kopplungsmechanismus beschreibt, wie die EMIs von der Quelle zum Empfänger (betroffenen Geräten) gelangen. Das Verständnis der Art des EMI sowie der Art und Weise, wie es von der Quelle zum Empfänger gekoppelt wird, ist der Schlüssel zur Lösung des Problems. Angetrieben von den beiden Komponenten (H-Feld und E-Feld) werden EMIs von einer Quelle zu einem Empfänger über vier Haupttypen von EMI-Kopplung gekoppelt, nämlich Leitung, Strahlung, kapazitive Kopplung und induktive Kopplung. Schauen wir uns die Kopplungsmechanismen nacheinander an.

1. Leitung

Die Leitungskopplung tritt auf, wenn EMI-Emissionen über Leiter (Drähte und Kabel) geleitet werden, die die EMI-Quelle und den Empfänger miteinander verbinden. Auf diese Weise gekoppelte EMI sind in den Stromversorgungsleitungen üblich und in der Regel schwer in der H-Feld-Komponente. Die Leitungskopplung auf Stromleitungen kann entweder eine Gleichtaktleitung sein (die Interferenz erscheint auf der + ve- und -ve-Leitung oder auf den tx- und rx-Leitungen gleichphasig) oder eine Differentialmodus-Leitung (die Interferenz erscheint auf zwei Leitern phasenverschoben). Die beliebteste Lösung für leitungsgekoppelte Interferenzen ist die Verwendung von Filtern und Abschirmungen über Kabeln.

2. Strahlung

Die Strahlungskopplung ist die beliebteste und am häufigsten erfahrene Form der EMI-Kopplung. Anders als bei der Leitung besteht keine physikalische Verbindung zwischen der Quelle und dem Empfänger, da die Interferenz über den Raum zum Empfänger gesendet (abgestrahlt) wird. Ein gutes Beispiel für abgestrahlte elektromagnetische Störungen ist der bereits erwähnte Sonnenausfall.

3. Kapazitive Kopplung

Dies tritt zwischen zwei verbundenen Geräten auf. Eine kapazitive Kopplung liegt vor, wenn eine sich ändernde Spannung in der Quelle eine Ladung kapazitiv auf das Opfer überträgt

4. Induktive / magnetische Kopplung

Dies bezieht sich auf die Art der EMI, die als Ergebnis einer Störung eines Leiters in einem anderen Leiter in der Nähe auftritt, basierend auf den Prinzipien der elektromagnetischen Induktion.

Elektromagnetische Interferenz und Kompatibilität

Man kann sagen, dass der EMI-Standard Teil des Regulierungsstandards ist, der als elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezeichnet wird. Es enthält eine Liste von Leistungsstandards, die Geräte erfüllen müssen, um zu zeigen, dass sie mit anderen Geräten koexistieren und die vorgesehene Leistung erbringen können, ohne auch die Leistung der anderen Geräte zu beeinträchtigen. Daher sind EMI-Standards im Wesentlichen Teil der allgemeinen EMV-Standards. Während die Namen normalerweise synonym verwendet werden, besteht zwischen ihnen ein deutlicher Unterschied, der jedoch in einem Folgeartikel behandelt wird.

Verschiedene Länder und Kontinente / Wirtschaftszonen haben unterschiedliche Variationen dieser Standards, aber für diesen Artikel werden wir die Standards der Federal Communications Commission (FCC) berücksichtigen. Gemäß Titel 47 Teil 15: Telekommunikation der FCC-Standards, der die „unbeabsichtigte“ Funkfrequenz regelt, gibt es zwei Geräteklassen. Klasse A und B.

Geräte der Klasse A sind Geräte, die für die Verwendung in der Industrie, in Büros und überall außer zu Hause bestimmt sind, während Geräte der Klasse B Geräte sind, die für den Heimgebrauch bestimmt sind, ungeachtet ihrer Verwendung in anderen Umgebungen.

In Bezug auf leitungsgekoppelte Emissionen wird erwartet, dass für Geräte der Klasse B, die für den Hausgebrauch bestimmt sind, die Emissionen auf die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte begrenzt sind. Die folgenden Informationen finden Sie auf der Website des Electronic Code of Federal Regulation.

Für Geräte der Klasse A gelten folgende Grenzwerte:

Für abgestrahlte Emissionen wird erwartet, dass Geräte der Klasse A für die angegebenen Frequenzen innerhalb des unten angegebenen Grenzwerts bleiben.

Frequenz (MHz)	µV / m
30 bis 88	100
88 bis 216	150
216 bis 960	200
960 und höher	500

Während für Geräte der Klasse B die Grenzwerte sind;

Frequenz (MHz)	µV / m
30 bis 88	90
88 bis 216	150
216 bis 960	210
960 und höher	300

Weitere Informationen zu diesen Standards finden Sie auf der Seite der verschiedenen Aufsichtsbehörden.

Die Einhaltung dieser EMV-Standards für Geräte erfordert einen EMI-Schutz auf vier Ebenen: der Ebene der einzelnen Komponenten, der Platinen- / Leiterplattenebene, der Systemebene und der Gesamtsystemebene. Um dies zu erreichen, zwei Hauptmaßnahmen; Elektromagnetische Abschirmung und Erdung werden normalerweise angewendet, obwohl auch andere wichtige Maßnahmen wie Filterung angewendet werden. Aufgrund des geschlossenen Charakters der meisten elektronischen Geräte wird die EMI-Abschirmung normalerweise auf Systemebene angewendet, um sowohl abgestrahlte als auch leitungsgebundene EMIs zu enthalten und die Einhaltung der EMV-Standards sicherzustellen. Daher werden wir praktische Überlegungen zur Abschirmung als Maßnahme für den EMI-Schutz betrachten.

Elektromagnetische Abschirmung - Schützen Sie Ihr Design vor elektromagnetischen Störungen

Die Abschirmung ist eine der wichtigsten Maßnahmen zur Reduzierung der EMI in elektronischen Produkten. Dabei wird ein Metallgehäuse / eine Metallabschirmung für die Elektronik oder die Kabel verwendet. In bestimmten Geräten / Situationen, in denen die Abschirmung des gesamten Produkts zu kostspielig oder unpraktisch sein kann, sind die kritischsten Komponenten, die eine EMI-Quelle / -Senke sein können, abgeschirmt. Dies ist besonders häufig bei den meisten vorzertifizierten Kommunikationsmodulen und -chips der Fall.

Die physikalische Abschirmung reduziert die EMI durch Dämpfung (Schwächung) der EMI-Signale durch Reflexion und Absorption ihrer Wellen. Metallische Abschirmungen sind so konstruiert, dass sie die E-Feld-Komponente reflektieren können und gleichzeitig eine hohe magnetische Permeabilität besitzen, um die H-Feld-Komponente des EMI zu absorbieren. Bei Kabeln sind die Signaldrähte von einer äußeren leitenden Schicht umgeben, die an einem oder beiden Enden geerdet ist, während bei Gehäusen ein leitfähiges Metallgehäuse als Interferenzabschirmung fungiert.

Idealerweise besteht das perfekte EMV-Gehäuse aus einem dichten Material wie Stahl, das allseitig vollständig versiegelt ist und keine Kabel aufweist, sodass keine Welle ein- oder austritt. Es gibt jedoch verschiedene Überlegungen, wie die Notwendigkeit, niedrige Kosten für Gehäuse, Wärmemanagement, Unter anderem Wartungs-, Strom- und Datenkabel machen solche Ideale unpraktisch. Da jedes der Löcher ein potenzieller Ein- / Ausstiegspunkt für EMI ist, müssen Designer verschiedene Maßnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass die Gesamtleistung des Geräts am Ende des Tages immer noch innerhalb der zulässigen Bereiche des EMV-Standards liegt.

Praktische Überlegungen zur Abschirmung

Wie oben erwähnt, sind bei der Abschirmung mit Gehäusen oder Abschirmkabeln mehrere praktische Überlegungen erforderlich. Für Produkte mit kritischen EMI-Möglichkeiten (Gesundheit, Luftfahrt, Energie, Kommunikation, Militär usw.) ist es wichtig, dass sich die Produktdesign-Teams aus Personen zusammensetzen, die über einschlägige Erfahrung in Bezug auf Abschirmung und allgemeine EMI-Situationen verfügen. Dieser Abschnitt gibt einen umfassenden Überblick über einige der möglichen Tipps oder die EMI-Abschirmung.

1. Schrank- und Gehäusedesign

Wie oben erwähnt, ist es unmöglich, Gehäuse ohne bestimmte Öffnungen so zu gestalten, dass sie als Lüftungsgitter, Kabellöcher, Türen und unter anderem für Schalter dienen. Diese Öffnungen an Gehäusen, unabhängig von ihrer Größe oder Form, durch die eine EM-Welle in das Gehäuse eintreten oder aus dem Gehäuse austreten kann, werden in EMI-Begriffen als Schlitze bezeichnet. Die Schlitze müssen so ausgelegt sein, dass sie aufgrund ihrer Länge und Ausrichtung im Verhältnis zur RFI-Frequenz nicht zu einem Wellenleiter werden, während ihre Größe und Anordnung bei Lüftungsgittern ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Luftstrom gewährleisten sollte, der zur Aufrechterhaltung der thermischen Anforderungen erforderlich ist der Schaltung und die Fähigkeit, EMI basierend auf der erforderlichen Signaldämpfung und der beteiligten RFI-Frequenz zu steuern.

Bei kritischen Anwendungen wie militärischer Ausrüstung werden Schlitze wie Türen usw. normalerweise mit speziellen Dichtungen, sogenannten EMI-Dichtungen, versehen. Sie sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, einschließlich gestricktem Drahtgeflecht und metallischen Spiraldichtungen. Bevor die Wahl der Dichtung getroffen wird, werden jedoch verschiedene Konstruktionsfaktoren (normalerweise Kosten / Nutzen) berücksichtigt. Insgesamt sollte die Anzahl der Steckplätze so gering wie möglich und die Größe so gering wie möglich sein.

2. Kabel

Bestimmte Gehäuse müssen möglicherweise Kabelöffnungen aufweisen. Dies muss auch bei der Gehäusekonstruktion berücksichtigt werden. Im

Abgesehen davon dienen Kabel auch als Mittel zur Durchführung von EMIs als solche in kritischen Geräten. Kabel verwenden eine geflochtene Abschirmung, die dann geerdet wird. Dieser Ansatz ist zwar teuer, aber effektiver. In kostengünstigen Situationen werden jedoch Standardlösungen wie Ferritperlen an bestimmten Stellen am Rand der Kabel platziert. Auf Leiterplattenebene werden Filter auch entlang der Eingangsstromleitungen implementiert.

Best Practices zum Bestehen von EMI-Tests

Einige der EMI-Entwurfspraktiken, insbesondere auf Board-Ebene, um EMI in Schach zu halten, umfassen:

Verwenden Sie vorzertifizierte Module. Insbesondere für die Kommunikation reduziert die Verwendung bereits zertifizierter Module den Arbeitsaufwand für die Abschirmung des Teams und die Kosten für die Zertifizierung Ihres Produkts. Pro-Tipp: Anstatt ein neues Netzteil für Ihr Projekt zu entwerfen, sollten Sie das Projekt so gestalten, dass es mit vorhandenen handelsüblichen Netzteilen kompatibel ist. Dies spart Ihnen Kosten bei der Zertifizierung des Netzteils.
Halten Sie die Stromschleifen klein. Die Fähigkeit eines Leiters, Energie durch Induktion und Strahlung zu koppeln, wird durch eine kleinere Schleife verringert, die als Antenne fungiert
Verwenden Sie für Paare von Leiterplattenspuren aus Kupfer (PC) breite (niederohmige) Leiterbahnen, die übereinander und untereinander ausgerichtet sind.
Suchen Sie die Filter an der Störquelle, grundsätzlich so nahe wie möglich am Leistungsmodul. Filterkomponentenwerte sollten unter Berücksichtigung des gewünschten Frequenzdämpfungsbereichs ausgewählt werden. Beispielsweise schwingen Kondensatoren bei bestimmten Frequenzen selbst mit, ab denen sie induktiv wirken. Halten Sie die Bypass-Kondensatorleitungen so kurz wie möglich.
Platzieren Sie die Komponenten unter Berücksichtigung der Nähe der Rauschquellen zu potenziell anfälligen Stromkreisen auf der Leiterplatte.
Positionieren Sie Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich am Wandler, insbesondere X- und Y-Kondensatoren.
Verwenden Sie nach Möglichkeit Masseebenen, um die Strahlungskopplung zu minimieren, die Querschnittsfläche empfindlicher Knoten zu minimieren und die Querschnittsfläche von Hochstromknoten zu minimieren, die strahlen können, z. B. von Gleichtaktkondensatoren
Surface-Mount-Geräte (SMD) sind im Umgang mit HF-Energie aufgrund der reduzierten Induktivitäten und der engeren Platzierung der Komponenten besser als bleihaltige Geräte.

Alles in allem ist es wichtig, während des Entwicklungsprozesses Personen mit diesen Konstruktionserfahrungen in Ihrem Team zu haben, da dies zur Kosteneinsparung bei der Zertifizierung beiträgt und auch die Stabilität und Zuverlässigkeit Ihres Systems und seiner Leistung gewährleistet.