Nhiễu điện từ (emi) - các loại, tiêu chuẩn và kỹ thuật che chắn

Chứng nhận thường là một trong những giai đoạn tốn kém và tẻ nhạt nhất trong quá trình phát triển một sản phẩm phần cứng mới. Nó giúp các cơ quan có thẩm quyền biết rằng sản phẩm tuân thủ tất cả các luật và hướng dẫn đã ban hành xung quanh các chức năng. Bằng cách này, hiệu suất của sản phẩm cụ thể đó có thể được đảm bảo để ngăn ngừa các nguy cơ và tác hại cho người sử dụng. Giai đoạn này thường tẻ nhạt như vậy, điều quan trọng là các công ty sản phẩm phải lập kế hoạch này trước khi thực hiện để loại bỏ những phức tạp vào phút cuối. Đối với bài viết hôm nay, chúng ta sẽ xem xét Tiêu chuẩn thiết kế EMIđó là một thực tế rất phổ biến mà các nhà thiết kế phải ghi nhớ để phát triển các sản phẩm chất lượng. Chúng tôi sẽ xem xét EMI một cách chi tiết và sẽ xem xét các loại, Bản chất, thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn của nó, các cơ chế ghép nối và che chắn cũng như các phương pháp hay nhất để vượt qua các Bài kiểm tra EMI.

Tiêu chuẩn EMI - Tất cả bắt đầu như thế nào?

Tiêu chuẩn EMI (Nhiễu điện từ) ban đầu được tạo ra để bảo vệ các mạch điện tử khỏi nhiễu điện từ có thể ngăn chúng hoạt động theo cách mà chúng được thiết kế ban đầu. Những tác động này đôi khi thậm chí có thể làm cho thiết bị hoạt động sai hoàn toàn và có thể trở nên nguy hiểm cho người dùng. Nó lần đầu tiên trở thành mối quan tâm vào những năm 1950, và chủ yếu được quân đội quan tâm do một số tai nạn đáng chú ý phát sinh từ các lỗi điều hướng do nhiễu điện từ trong hệ thống định vị và phát xạ radar dẫn đến việc vô tình giải phóng vũ khí. Vì vậy, quân đội muốn đảm bảo các hệ thống tương thích với nhau và các hoạt động của cái này không ảnh hưởng đến cái kia vì điều đó có thể dẫn đến tử vong trong máy bay của họ.

Bên cạnh các ứng dụng quân sự, những tiến bộ gần đây trong các giải pháp liên quan đến Y học và Sức khỏe như Máy tạo nhịp tim và các loại CIED khác, cũng đã góp phần vào nhu cầu về các quy định EMI vì sự can thiệp vào các thiết bị như thế này có thể dẫn đến các tình huống đe dọa tính mạng.

Những điều này trong số các tình huống khác là những gì dẫn đến việc thiết lập tiêu chuẩn nhiễu EMI và với số lượng lớn các cơ quan quản lý EMC đã được thành lập.

Nhiễu điện từ (EMI) là gì?

Nhiễu điện từ có thể được định nghĩa là năng lượng điện từ không mong muốn làm nhiễu loạn hoạt động bình thường của thiết bị điện tử. Tất cả các thiết bị điện tử đều tạo ra một số lượng bức xạ điện từ vì dòng điện chạy qua các mạch và dây dẫn của nó không bao giờ được chứa đầy đủ. Năng lượng này từ thiết bị “A”, được lan truyền trong không khí dưới dạng bức xạ điện từ, hoặc được kết hợp vào (hoặc dẫn dọc) I / O hoặc cáp của thiết bị “B” khác, có thể phá vỡ cân bằng hoạt động trong thiết bị B, khiến thiết bị đôi khi trục trặc một cách nguy hiểm. Năng lượng này từ thiết bị A gây nhiễu hoạt động của thiết bị B được gọi là Nhiễu điện từ .

Sự can thiệp đôi khi thậm chí có thể là từ một nguồn tự nhiên như bão điện nhưng thường xuyên hơn không, nó thường là do tác động của một thiết bị khác ở gần. Mặc dù tất cả các thiết bị điện tử đều tạo ra một số EMI, nhưng một số loại thiết bị nhất định như điện thoại di động, Màn hình LED và Đặc biệt là Động cơ, có nhiều khả năng tạo ra nhiễu sóng hơn so với những thiết bị khác. Vì không thiết bị nào có thể hoạt động trong môi trường bị cô lập, điều quan trọng là đảm bảo thiết bị của chúng tôi tuân thủ các tiêu chuẩn nhất định để đảm bảo nhiễu được giữ ở mức tối thiểu nhất. Các tiêu chuẩn và quy định này được gọi là Tiêu chuẩn EMI và mọi sản phẩm / thiết bị được sử dụng / bán ở các khu vực / quốc gia nơi các tiêu chuẩn này là luật, phải được chứng nhận trước khi có thể sử dụng.

Các loại nhiễu điện từ (EMI)

Trước khi chúng ta xem xét tiêu chuẩn và quy định, có lẽ điều quan trọng là phải kiểm tra loại EMI để hiểu rõ hơn về loại miễn dịch nên được tích hợp trong sản phẩm của bạn. Nhiễu điện từ có thể được phân loại thành các loại dựa trên một số yếu tố bao gồm;

Nguồn EMI
Thời lượng của EMI
Băng thông của EMI

Chúng ta sẽ lần lượt xem xét từng danh mục này.

1. Nguồn EMI

Một cách để phân loại EMI thành các loại là kiểm tra nguồn gây nhiễu và cách nó được tạo ra. Theo danh mục này, về cơ bản có hai loại EMI, EMI tự nhiên và EMI do con người tạo ra. Các EMI tự nhiên đề cập đến nhiễu điện từ xảy ra như là kết quả của hiện tượng tự nhiên giống như ánh sáng, bão điện, và các sự cố tương tự khác. Mặt khác, trong khi EMI do con người tạo ra, đề cập đến các EMI xảy ra do hoạt động của các thiết bị điện tử khác trong vùng lân cận của thiết bị (Bộ thu) gặp phải nhiễu. Ví dụ về các loại EMI này bao gồm, Nhiễu tần số vô tuyến, EMI trong thiết bị âm thanh và các loại khác.

2. Thời gian giao thoa

EMI cũng được phân loại thành các loại dựa trên khoảng thời gian xảy ra nhiễu, tức là khoảng thời gian mà nhiễu đã trải qua. Dựa trên điều này, EMI thường được nhóm thành hai loại, EMI liên tục và EMI xung. Các EMI liên tục đề cập đến EMIS được liên tục phát ra bởi một nguồn. Nguồn có thể do con người tạo ra hoặc tự nhiên, nhưng nhiễu liên tục xảy ra, miễn là tồn tại cơ chế ghép nối (Dẫn điện hoặc bức xạ) giữa nguồn EMI và máy thu. Xung EMIlà các EMI xảy ra không liên tục hoặc trong thời gian rất ngắn. Giống như các EMI liên tục, Impulse EMI cũng có thể là tự nhiên hoặc do con người tạo ra. Ví dụ bao gồm nhiễu xung do công tắc, đèn chiếu sáng và các nguồn tương tự có thể phát ra tín hiệu gây nhiễu loạn cân bằng điện áp hoặc dòng điện của các hệ thống lân cận được kết nối.

3. Băng thông của EMI

EMI cũng có thể được phân loại thành các loại sử dụng băng thông của chúng. Băng thông của EMI đề cập đến phạm vi tần số mà EMI trải nghiệm. Dựa trên điều này, EMI có thể được phân loại thành EMI băng hẹp và EMI băng rộng. Các hẹp EMI thường bao gồm một tần số đơn lẻ hoặc một hẹp tần số giao thoa, có thể được tạo ra bởi một dạng dao động hoặc do hậu quả của tín hiệu giả mạo xảy ra do các loại biến dạng trong một máy phát. Trong hầu hết các trường hợp, chúng thường có ảnh hưởng nhỏ đến liên lạc hoặc thiết bị điện tử và có thể được điều chỉnh dễ dàng. Tuy nhiên, chúng vẫn là một nguồn gây nhiễu mạnh và cần được giữ trong giới hạn có thể chấp nhận được. Các EMIS băng thông rộnglà các EMI không xảy ra trên các tần số đơn / rời rạc. Chúng chiếm một phần lớn từ phổ, tồn tại ở các dạng khác nhau, và có thể phát sinh từ các nguồn nhân tạo hoặc tự nhiên khác nhau. Các nguyên nhân điển hình bao gồm hồ quang và hào quang và nó đại diện cho nguồn gốc của một tỷ lệ phần trăm các sự cố EMI trong thiết bị dữ liệu kỹ thuật số. Một ví dụ điển hình về tình huống EMI xảy ra tự nhiên là "Sun Outage", xảy ra do năng lượng từ mặt trời làm gián đoạn tín hiệu từ vệ tinh liên lạc. Các ví dụ khác bao gồm; EMI do bàn chải bị lỗi trong động cơ / máy phát điện, hồ quang trong hệ thống đánh lửa, đường dây điện bị lỗi và đèn huỳnh quang kém.

Bản chất của EMI

EMI như được mô tả trước đó, là sóng Điện từ bao gồm cả thành phần trường E (Điện) và H (Từ trường), dao động theo các góc vuông với nhau như hình dưới đây. Mỗi thành phần này phản ứng khác nhau với các thông số như tần số, điện áp, khoảng cách và dòng điện, do đó, điều quan trọng là phải hiểu bản chất của EMI, để biết chúng chiếm ưu thế trước khi vấn đề có thể được giải quyết rõ ràng.

Ví dụ, đối với các thành phần Điện trường, sự suy giảm EMI có thể được cải thiện thông qua các vật liệu có độ dẫn điện cao, nhưng giảm bằng các vật liệu có độ từ thẩm tăng lên, điều này ngược lại cải thiện sự suy giảm cho Thành phần Từ trường. Như vậy, độ thẩm thấu tăng lên trong hệ thống có EMI chiếm ưu thế về trường E sẽ làm giảm suy hao nhưng suy hao sẽ cải thiện trong EMI chiếm ưu thế về trường H. Tuy nhiên, do những tiến bộ gần đây trong công nghệ được sử dụng trong việc tạo ra các linh kiện điện tử, trường E thường là thành phần chính của nhiễu.

Cơ chế khớp nối EMI

Cơ chế Khớp nối EMI mô tả cách thức các EMI đi từ nguồn đến máy thu (các thiết bị bị ảnh hưởng). Hiểu bản chất của EMI cùng với cách nó được ghép nối từ nguồn đến máy thu là chìa khóa để giải quyết vấn đề. Được cung cấp năng lượng bởi hai thành phần (trường H và trường E), EMI được ghép nối từ nguồn đến máy thu thông qua bốn loại khớp nối EMI chính mà chúng dẫn điện, bức xạ, khớp nối điện dung và khớp nối cảm ứng. Chúng ta hãy xem xét lần lượt các cơ chế ghép nối.

1. Dẫn điện

Khớp nối dẫn xảy ra khi phát xạ EMI được truyền dọc theo dây dẫn (dây và cáp) kết nối nguồn của EMI và bộ thu với nhau. EMI được kết hợp theo cách này phổ biến trên các đường cấp điện và thường nặng về thành phần trường H. Khớp nối dẫn điện trên đường dây điện có thể là Dẫn truyền phương thức chung (nhiễu xuất hiện cùng pha trên đường + ve và -ve hoặc đường tx và rx) hoặc Dẫn truyền theo phương thức vi sai (nhiễu xuất hiện lệch pha trên hai dây dẫn). Giải pháp phổ biến nhất để chống nhiễu ghép nối là sử dụng các bộ lọc và lá chắn qua cáp.

2. Bức xạ

Khớp nối bức xạ là dạng Khớp nối EMI phổ biến và thường gặp nhất. Không giống như dẫn truyền, Nó không liên quan đến bất kỳ kết nối vật lý nào giữa nguồn và máy thu vì nhiễu được phát ra (bức xạ) qua không gian tới máy thu. Một ví dụ điển hình về EMI bức xạ là sự cố mất mặt trời đã đề cập trước đó.

3. Khớp nối điện dung

Điều này xảy ra giữa hai thiết bị được kết nối. Khớp nối điện dung tồn tại khi điện áp thay đổi trong nguồn điện dung truyền điện tích cho nạn nhân

4. Khớp nối cảm ứng / từ tính

Điều này đề cập đến loại EMI xảy ra do một dây dẫn gây ra nhiễu trong một dây dẫn khác gần đó dựa trên các nguyên tắc của cảm ứng điện từ.

Nhiễu điện từ và khả năng tương thích

Tiêu chuẩn EMI có thể nói là một phần của Tiêu chuẩn quy định được gọi là Tương thích Điện từ (EMC). Nó chứa danh sách các tiêu chuẩn hiệu suất mà các thiết bị phải đáp ứng để cho thấy rằng chúng có thể cùng tồn tại với các thiết bị khác và hoạt động như thiết kế mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị khác. Vì các tiêu chuẩn EMI như vậy về cơ bản là một phần của các tiêu chuẩn EMC chung. Trong khi các tên thường được sử dụng thay thế cho nhau, có sự khác biệt rõ ràng giữa chúng nhưng điều này sẽ được đề cập trong một bài báo tiếp theo.

Các quốc gia và lục địa / Khu kinh tế khác nhau, có các biến thể khác nhau của các tiêu chuẩn này nhưng đối với bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét các tiêu chuẩn của Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC). Theo Phần 15 của Tiêu đề 47: Viễn thông, của Tiêu chuẩn FCC, quy định tần số vô tuyến “không chủ ý”, có hai loại thiết bị; Lớp A và B.

Thiết bị Class A là thiết bị được sử dụng trong công nghiệp, văn phòng, mọi nơi khác ngoài gia đình, trong khi thiết bị CLass B là thiết bị dành cho gia đình, bất chấp việc sử dụng nó trong các môi trường khác.

Về phát thải kết hợp dẫn điện, đối với các thiết bị Loại B được sử dụng trong gia đình, phát thải dự kiến sẽ được giới hạn ở các giá trị được trình bày trong bảng dưới đây. Thông tin sau được lấy từ Trang web Quy định Liên bang về Quy tắc Điện tử.

Đối với thiết bị loại A, các giới hạn là;

Đối với phát xạ bức xạ, các thiết bị loại A dự kiến sẽ nằm trong giới hạn dưới đây đối với các tần số quy định;

Tần số (MHz)	µV / m
30 đến 88	100
88 đến 216	150
216 đến 960	200
960 trở lên	500

Trong khi đối với thiết bị loại B, các giới hạn là;

Tần số (MHz)	µV / m
30 đến 88	90
88 đến 216	150
216 đến 960	210
960 trở lên	300

Có thể tìm thấy thêm thông tin về các tiêu chuẩn này trên trang của các cơ quan quản lý khác nhau.

Tuân thủ các tiêu chuẩn EMC này cho thiết bị, yêu cầu bảo vệ EMI ở bốn cấp: cấp thành phần riêng lẻ, cấp bo mạch / PCB, cấp hệ thống và cấp hệ thống tổng thể. Để đạt được điều này, hai biện pháp chính; Che chắn điện từ và nối đất thường được sử dụng, mặc dù các biện pháp quan trọng khác như lọc cũng được sử dụng. Do tính chất khép kín của hầu hết các thiết bị điện tử, che chắn EMI thường được áp dụng ở cấp độ hệ thống để chứa cả EMI bức xạ và dẫn điện để đảm bảo tuân thủ Tiêu chuẩn EMC. Do đó, chúng ta sẽ xem xét các cân nhắc thực tế xung quanh việc che chắn như một biện pháp để bảo vệ EMI.

Che chắn điện từ - Bảo vệ thiết kế của bạn khỏi EMI

Che chắn là một trong những biện pháp chính được áp dụng để giảm EMI trong các sản phẩm điện tử. Nó liên quan đến việc sử dụng vỏ bọc / lá chắn bằng kim loại cho thiết bị điện tử hoặc cáp. Trong một số thiết bị / tình huống nhất định mà việc che chắn toàn bộ sản phẩm có thể quá tốn kém hoặc không thực tế, các thành phần quan trọng nhất có thể là nguồn / bồn rửa EMI sẽ được che chắn. Điều này đặc biệt phổ biến trong hầu hết các mô-đun và chip giao tiếp được chứng nhận trước.

Che chắn vật lý làm giảm EMI bằng cách làm suy giảm (làm suy yếu) tín hiệu EMI thông qua sự phản xạ và hấp thụ sóng của nó. Các tấm chắn kim loại được thiết kế theo cách mà nó có thể phản xạ thành phần trường E trong khi có độ từ thẩm cao để nó hấp thụ thành phần trường H của EMI. Trong cáp, các dây tín hiệu được bao bọc bởi một lớp dẫn điện bên ngoài được nối đất ở một hoặc cả hai đầu, trong khi đối với vỏ bọc, vỏ kim loại dẫn điện đóng vai trò như một lá chắn chống nhiễu.

Lý tưởng nhất, vỏ bọc EMC hoàn hảo sẽ là loại được làm từ vật liệu dày đặc như thép, được bịt kín hoàn toàn ở tất cả các bên mà không có dây cáp để không có sóng truyền vào hoặc ra, nhưng một số cân nhắc, như sự cần thiết, chi phí thấp cho vỏ bọc, quản lý nhiệt bảo trì, nguồn và cáp dữ liệu trong số những người khác, làm cho những lý tưởng như vậy không thực tế. Với mỗi lỗ được tạo ra, bởi những nhu cầu này là điểm vào / ra tiềm năng cho EMI, Nhà thiết kế buộc phải thực hiện một số biện pháp để đảm bảo hiệu suất tổng thể của thiết bị vẫn nằm trong phạm vi cho phép của tiêu chuẩn EMC vào cuối ngày..

Che chắn các cân nhắc thực tế

Như đã đề cập ở trên, cần có một số cân nhắc thực tế khi che chắn bằng vỏ bọc hoặc cáp che chắn. Đối với sản phẩm có các khả năng EMI quan trọng (Y tế, Hàng không, Điện, Truyền thông, Quân sự, v.v.), điều quan trọng là nhóm thiết kế sản phẩm bao gồm các cá nhân có kinh nghiệm liên quan về các tình huống EMI chung và che chắn. Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về một số mẹo có thể có hoặc bảo vệ EMI.

1. Thiết kế tủ và bao vây

Như đã đề cập ở trên, không thể thiết kế thùng loa mà không có một số khẩu độ nhất định để làm lưới thông gió, lỗ cáp, cửa ra vào và cho những thứ như công tắc giữa các loại khác. Các khe hở này trên vỏ, bất kể kích thước hoặc hình dạng của chúng, qua đó sóng EM có thể đi vào hoặc thoát ra khỏi vỏ, theo thuật ngữ EMI, được gọi là khe. Các khe cắm phải được thiết kế sao cho chiều dài và hướng của chúng so với Tần số RFI không biến chúng thành một ống dẫn sóng, trong khi kích thước và cách sắp xếp của chúng trong trường hợp lưới thông gió phải duy trì sự cân bằng phù hợp giữa luồng không khí cần thiết để duy trì các yêu cầu về nhiệt của mạch và khả năng điều khiển EMI dựa trên sự suy giảm tín hiệu cần thiết và Tần số RFI liên quan.

Trong các ứng dụng quan trọng như thiết bị quân sự, các khe như cửa ra vào, v.v. thường được gắn với các miếng đệm chuyên dụng gọi là Vòng đệm EMI. Chúng có nhiều loại khác nhau bao gồm, lưới thép dệt kim và các miếng đệm xoắn kim loại nhưng một số yếu tố thiết kế (thường là chi phí / lợi ích) được xem xét trước khi lựa chọn miếng đệm được thực hiện. Nhìn chung, số lượng khe cắm càng ít càng tốt và kích thước càng nhỏ càng tốt.

2. Cáp

Một số vỏ có thể được yêu cầu có khẩu độ cáp; điều này cũng phải được tính trong thiết kế bao vây. Trong

Bên cạnh đó, cáp cũng đóng vai trò như một phương tiện dẫn điện EMI chẳng hạn như trong thiết bị quan trọng, cáp sử dụng một tấm chắn bện sau đó được nối đất. Tuy cách làm này tốn kém nhưng lại hiệu quả hơn. Tuy nhiên, trong các tình huống chi phí thấp, các giải pháp ngoài giá đỡ như hạt ferit được đặt ở các vị trí cụ thể ở mép cáp. Ở cấp PCB, các bộ lọc cũng được thực hiện dọc theo đường dây điện đầu vào.

Các phương pháp hay nhất để vượt qua các bài kiểm tra EMI

Một số thực hành thiết kế EMI, đặc biệt là ở cấp độ hội đồng quản trị, để kiểm soát EMI bao gồm;

Sử dụng các mô-đun được chứng nhận trước. Đặc biệt đối với giao tiếp, việc sử dụng các mô-đun đã được chứng nhận làm giảm khối lượng công việc mà nhóm cần làm trong việc che chắn và giảm chi phí chứng nhận cho sản phẩm của bạn. Mẹo chuyên nghiệp: Thay vì thiết kế nguồn điện mới cho dự án của bạn, hãy thiết kế dự án để tương thích với nguồn điện hiện có trên kệ. Điều này giúp bạn tiết kiệm chi phí trong việc chứng nhận nguồn điện.
Giữ các vòng lặp hiện tại nhỏ. Khả năng của một vật dẫn để kết hợp năng lượng bằng cảm ứng và bức xạ bị giảm xuống với một vòng lặp nhỏ hơn, hoạt động như một ăng-ten
Đối với các cặp dấu vết bảng mạch in bằng đồng (PC), hãy sử dụng các dấu vết rộng (trở kháng thấp) được căn chỉnh ở trên và dưới nhau.
Xác định vị trí bộ lọc tại nguồn gây nhiễu, về cơ bản càng gần mô-đun nguồn càng tốt. Các giá trị thành phần bộ lọc nên được chọn có lưu ý đến dải tần số suy giảm mong muốn. Ví dụ, tụ điện tự cộng hưởng ở một số tần số nhất định, ngoài ra chúng còn hoạt động cảm ứng. Giữ các dây dẫn của tụ điện bỏ qua càng ngắn càng tốt.
Đặt các thành phần trên PCB có cân nhắc đến sự gần gũi của các nguồn nhiễu với các mạch có khả năng nhạy cảm.
Đặt các tụ điện tách càng gần bộ chuyển đổi càng tốt, đặc biệt là các tụ điện X và Y.
Sử dụng mặt phẳng đất khi có thể để giảm thiểu sự ghép nối bức xạ, giảm thiểu diện tích mặt cắt ngang của các nút nhạy cảm và giảm thiểu diện tích mặt cắt ngang của các nút dòng điện cao có thể bức xạ như từ các tụ điện chế độ chung
Các thiết bị gắn trên bề mặt (SMD) tốt hơn các thiết bị có dây dẫn trong việc xử lý năng lượng RF vì giảm điện cảm và có sẵn các vị trí linh kiện gần hơn.

Nói chung, điều quan trọng là phải có những cá nhân có kinh nghiệm thiết kế này trong nhóm của bạn trong quá trình phát triển vì điều đó giúp tiết kiệm chi phí trong việc chứng nhận và cũng đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống cũng như hiệu suất của nó.