Interferències electromagnètiques (emi): tipus, estàndards i tècniques de protecció

La certificació sol ser una de les etapes més costoses i tedioses durant el desenvolupament d’un nou producte de maquinari. Ajuda les autoritats a saber que el producte compleix totes les lleis i directrius establertes sobre les funcions. D'aquesta manera, es pot garantir el rendiment d'aquest producte en particular per prevenir riscos i perjudicar els seus usuaris. Per tan tediós que sol ser aquesta etapa, és important que les empreses de productes ho planifiquin abans per anul·lar les complexitats d’última hora. Per a l’article d’avui veurem l’ EMI Design Standardque és una pràctica molt habitual que els dissenyadors han de tenir en compte per desenvolupar productes de qualitat. Analitzarem l’EMI amb detall i examinarem els seus tipus, naturalesa, especificacions i estàndards, mecanismes d’acoblament i apantallament i bones pràctiques per aprovar les proves EMI.

Normes EMI: com va començar tot?

L’ estàndard EMI (Electromagnetic Interference) es va crear originalment per protegir els circuits electrònics contra les interferències electromagnètiques que poguessin impedir que funcionessin tal com eren originalment dissenyats. Aquestes interferències poden fins i tot fer que el dispositiu funcioni completament i pugui esdevenir perillós per als usuaris. Es va convertir en una preocupació per primera vegada a la dècada de 1950, i va interessar principalment els militars a causa d’uns quants accidents notables derivats de fallades en la navegació a causa de la interferència electromagnètica en els sistemes de navegació i de les emissions de radar que van provocar l’alliberament involuntari d’armes. Com a tal, els militars volien garantir que els sistemes fossin compatibles entre ells i que les operacions d'un no afectessin l'altre, ja que això podria provocar morts a les seves embarcacions.

A part de les aplicacions militars, els avenços recentment en solucions relacionades amb la medicina i la salut, com ara marcapassos i altres tipus de CIED, també han contribuït a la necessitat de regulacions EMI, ja que la interferència en dispositius com aquest pot provocar situacions que posin en perill la vida.

Aquests, entre altres escenaris, són els que condueixen a l'establiment de l' estàndard d'interferència EMI i amb el gran nombre d'òrgans reguladors d'EMC que s'han establert.

Què és la interferència electromagnètica (EMI)?

La interferència electromagnètica es pot definir com l’energia electromagnètica no desitjada que pertorba el bon funcionament d’un dispositiu electrònic. Tots els dispositius electrònics generen una certa quantitat de radiació electromagnètica, ja que l'electricitat que circula pels seus circuits i cables mai no està completament continguda. Aquesta energia del dispositiu "A", ja sigui propagada per l'aire com a radiació electromagnètica, o acoblada a (o conduïda al llarg de) E / S o cables d'un altre dispositiu "B", podria alterar l'equilibri operatiu del dispositiu B, provocant que el dispositiu mal funcionament de vegades de manera perillosa. Aquesta energia del dispositiu A que interfereix amb les operacions del dispositiu B es coneix com a interferència electromagnètica .

La interferència pot arribar fins i tot a una font natural, com les tempestes elèctriques, però el més freqüent és que sigui a causa de les accions d’un altre dispositiu proper. Tot i que tots els dispositius electrònics generen algunes EMI, és més probable que una certa classe de dispositius com els telèfons mòbils, les pantalles LED i els motors generin interferències en comparació amb altres. Com que cap dispositiu pot funcionar en un entorn aïllat, és important assegurar-se que els nostres dispositius compleixin certes normes per garantir que la interferència es mantingui al mínim mínim. Aquestes normes i regulacions es coneixen com a estàndard EMI i tots els productes / dispositius que s’utilitzen / venen a les regions / països on aquestes normes són legals han de ser certificats abans de poder-los utilitzar.

Tipus d’interferències electromagnètiques (EMI)

Abans d’examinar la norma i la normativa, probablement sigui important examinar el tipus d’EMI per comprendre millor el tipus d’immunitat que s’hauria d’incorporar als vostres productes. Les interferències electromagnètiques es poden classificar en tipus segons diversos factors, inclosos;

1. Font d'EMI
2. Durada de l’EMI
3. Amplada de banda de l’EMI

Veurem cadascuna d’aquestes categories una rere l’altra.

1. Font de l’EMI

Una manera de classificar les EMI per tipus és examinant la font de la interferència i com es va crear. En aquesta categoria, hi ha bàsicament dos tipus d’EMI, l’EMI natural i l’EMI artificial. L’ EMI que es produeix de forma natural es refereix a les interferències electromagnètiques que es produeixen com a resultat de fenòmens naturals com la il·luminació, les tempestes elèctriques i altres ocurrències similars. Si bé l’EMI artificial és l’altra, es refereix a les EMI que es produeixen com a resultat de les activitats d’altres dispositius electrònics que es troben a la rodalia del dispositiu (receptor) que experimenta la interferència. Alguns exemples d’aquest tipus d’EMI són: interferències de radiofreqüència, EMI en equips de so, entre d’altres.

2. Durada de la interferència

Les EMI també es classifiquen en tipus segons la durada de la interferència, és a dir, el període de temps durant el qual s’ha experimentat la interferència. En funció d’això, les EMI s’agrupen normalment en dos tipus, EMI continu i EMI d’impuls. L’ EMI continu es refereix a les EMI que són emeses contínuament per una font. La font pot ser artificial o natural, però la interferència s’experimenta contínuament, sempre que existeixi un mecanisme d’acoblament (conducció o radiació) entre la font EMI i el receptor. Impuls EMIsón les EMI que es produeixen de manera intermitent o en una durada molt curta. Igual que les EMI contínues, l'IEM Impulse també pot ser natural o artificial. L’exemple inclou el soroll d’impuls experimentat per commutadors, il·luminacions i fonts similars que podrien emetre senyals que causin pertorbacions en l’equilibri de tensió o corrent dels sistemes propers connectats.

3. Amplada de banda de l’EMI

Les EMI també es poden classificar en tipus mitjançant l’amplada de banda. L'amplada de banda d'un EMI fa referència al rang de freqüències en què experimenta l'EMI. En funció d’això, les EMI es poden classificar en EMI de banda estreta i EMI de banda ampla. L' EMI de banda estreta consisteix típicament en una sola freqüència o en una banda estreta de freqüències d'interferència, possiblement generada per una forma d'oscil·lador o com a resultat de senyals falses que es produeixen a causa de diferents tipus de distorsió en un transmissor. En la majoria dels casos, solen tenir un efecte menor sobre les comunicacions o els equips electrònics i es poden sintonitzar fàcilment. Tot i això, continuen sent una font d’interferència potent i s’han de mantenir dins d’uns límits acceptables. Les EMI de banda amplasón EMI que no es produeixen en freqüències simples / discretes. Ocupen una gran part de l’espectre magnètic, existeixen en diferents formes i poden sorgir de diferents fonts naturals o artificials. Les causes típiques inclouen l’arc i la corona i representa la font d’un bon percentatge de problemes EMI en equips de dades digitals. Un bon exemple d'una situació d'EMI natural és "Sun Outage", que es produeix a causa de l'energia del sol que interromp el senyal d'un satèl·lit de comunicació. Altres exemples inclouen; EMI com a resultat de raspalls defectuosos en motors / generadors, arcs en sistemes d'encesa, línies elèctriques defectuoses i làmpades fluorescents deficients.

Naturalesa de l’EMI

Les EMI, tal com es va descriure anteriorment, són ones electromagnètiques que comprenen els components del camp E (elèctric) i H (magnètic), oscil·lant en angle recte entre si, tal com es mostra a continuació. Cadascun d’aquests components respon de manera diferent a paràmetres com la freqüència, el voltatge, la distància i el corrent, per tant, és fonamental entendre la naturalesa de l’EMI, saber quin d’ells és dominant abans que el problema es pugui abordar clarament.

Per exemple, per als components del camp elèctric, l’atenuació de l’EMI es pot millorar mitjançant materials amb alta conductivitat, però reduïda per materials amb una permeabilitat augmentada, que en canvi millora l’atenuació del component del camp magnètic. Com a tal, l’augment de la permeabilitat en un sistema amb EMI dominat per camp E reduirà l’atenuació, però l’atenuació millorarà en un EMI dominat per camp H. No obstant això, a causa dels recents avenços en tecnologies utilitzades en la creació de components electrònics, el camp E sol ser el component principal de la interferència.

Mecanismes d’acoblament EMI

El mecanisme d’acoblament EMI descriu com arriben les EMI de la font al receptor (dispositius afectats). La comprensió de la naturalesa de l’EMI juntament amb la forma en què s’està acoblant des de la font fins al receptor és clau per solucionar el problema. Alimentats pels dos components (camp H i camp E), els EMI s’acoblen des d’una font a un receptor mitjançant quatre tipus principals d’acoblament EMI que condueixen, radiació, acoblament capacitiu i acoblament inductiu. Fem una ullada als mecanismes d’acoblament un darrere l’altre.

1. Conducció

L'acoblament de conducció es produeix quan les emissions EMI es transmeten per conductors (cables i cables) que connecten la font de l'EMI i el receptor. L'EMI acoblat d'aquesta manera és comú a les línies de subministrament elèctric i sol ser pesat al component del camp H. L’acoblament de conducció a les línies elèctriques pot ser una conducció en mode comú (la interferència apareix en fase a la línia + ve i -ve o les línies tx i rx) o una conducció de mode diferencial (la interferència apareix desfasada en dos conductes). La solució més popular a la interferència acoblada per conducció és l’ús de filtres i blindatge sobre cables.

2. Radiació

L’acoblament per radiació és la forma més popular i habitual d’acoblament EMI. A diferència de la conducció, no implica cap connexió física entre la font i el receptor, ja que la interferència s'emet (radia) a través de l'espai al receptor. Un bon exemple d’EMI irradiat és la caiguda del sol esmentada anteriorment.

3. Acoblament capacitiu

Això passa entre dos dispositius connectats. L’acoblament capacitiu existeix quan un canvi de voltatge a la font transfereix capacitivament una càrrega a la víctima

4. Acoblament inductiu / magnètic

Es refereix al tipus d'EMI que es produeix a causa d'un conductor que indueix interferències en un altre conductor proper, basat en els principis d'inducció electromagnètica.

Interferències electromagnètiques i compatibilitat

Es pot dir que l’estàndard EMI forma part de l’estàndard regulador anomenat compatibilitat electromagnètica (EMC). Conté una llista d’ estàndards de rendiment que els dispositius han de complir per demostrar que són capaços de conviure amb altres dispositius i funcionar tal com es dissenyen sense afectar també el rendiment dels altres dispositius. Com a tals estàndards EMI són essencialment part dels estàndards EMC generals. Tot i que els noms solen utilitzar-se indistintament, existeix una clara diferència entre ells, però això es tractarà en un article de seguiment.

Diferents països i continents / zones econòmiques tenen variacions diferents d’aquests estàndards, però per a aquest article considerarem els estàndards de la Comissió Federal de Comunicacions (FCC). Segons la part 15 del títol 47: Telecomunicacions, de les normes FCC, que regula la freqüència de ràdio "involuntària", hi ha dues classes de dispositius; Classe A i B.

Els dispositius de classe A són dispositius destinats a l’ús a la indústria, a les oficines, a qualsevol altre lloc menys a casa, mentre que els dispositius de classe B són dispositius destinats a l’ús domèstic, malgrat el seu ús en altres entorns.

Pel que fa a les emissions acoblades per conducció, per als dispositius de classe B destinats a ser utilitzats a casa, s’espera que les emissions estiguin limitades als valors que es mostren a la taula següent. La informació següent s’obté del lloc web del Codi electrònic de regulació federal.

Per als dispositius de classe A els límits són;

Per a les emissions radiades, s’espera que els dispositius de classe A es mantinguin dins del límit següent per a les freqüències especificades;

Freqüència (MHz)	µV / m
30 a 88	100
88 a 216	150
216 a 960	200
960 i superiors	500

Mentre que per als dispositius de classe B, els límits són;

Freqüència (MHz)	µV / m
30 a 88	90
88 a 216	150
216 a 960	210
960 i superiors	300

Podeu trobar més informació sobre aquestes normes a la pàgina dels diferents organismes reguladors.

El compliment d’aquests estàndards EMC per a dispositius requereix una protecció EMI en quatre nivells: nivell de components individuals, nivell de placa / PCB, nivell de sistema i nivell general de sistema. Per aconseguir-ho, hi ha dues mesures principals; Normalment s’utilitzen blindatges electromagnètics i connexions a terra, tot i que també s’utilitzen altres mesures importants com el filtratge. A causa de la naturalesa inclosa de la majoria de dispositius electrònics, el blindatge EMI sol aplicar-se a nivell de sistema per contenir EMI radiades i conductes per garantir el compliment de les normes EMC. Com a tal, veurem consideracions pràctiques al voltant del blindatge com a mesura de protecció EMI.

Blindatge electromagnètic: protegiu el vostre disseny d'EMI

El blindatge és una de les principals mesures adoptades per reduir l’EMI en productes electrònics. Implica l'ús d'un tancament / blindatge metàl·lic per a l'electrònica o els cables. En determinats equips / situacions en què protegir tot el producte pot resultar massa costós o poc pràctic, es protegeixen els components més crítics que podrien ser una font / pica EMI. Això és particularment comú a la majoria de mòduls i xips de comunicació precertificats.

El blindatge físic redueix l’EMI atenuant (debilitant) els senyals EMI mitjançant la reflexió i l’absorció de les seves ones. Els escuts metàl·lics estan dissenyats de manera que sigui capaç de reflectir el component del camp E mentre posseeix una alta permeabilitat magnètica perquè absorbeixi el component del camp H de l’EMI. En els cables, els cables de senyal estan envoltats per una capa conductora externa que està connectada a terra en un o ambdós extrems, mentre que per a les carcasses una carcassa metàl·lica conductora actua com a protecció contra interferències.

L’ideal seria que el recinte EMC perfecte estigués fabricat amb un material dens com l’acer, totalment segellat per tots els costats sense cables, de manera que no hi ha onades que entrin o surtin, però hi ha diverses consideracions, com ara la necessitat de baix cost en els recintes, la gestió de la calor, el manteniment, l'alimentació i els cables de dades, entre d'altres, fan que aquests ideals siguin poc pràctics. Amb cadascun dels forats creats, ja que aquestes necessitats són un punt d’entrada / sortida potencial per a les EMI, els dissenyadors es veuen obligats a prendre diverses mesures per garantir que el rendiment general del dispositiu continuï dins dels intervals admissibles de la norma EMC al final del dia.

Protecció de consideracions pràctiques

Com s'ha esmentat anteriorment, cal tenir en compte diverses consideracions pràctiques quan es protegeix amb tancaments o cables de protecció. Per a productes amb possibilitats EMI crítiques (salut, aviació, energia, comunicació, militar, etc.), és important que els equips de disseny de productes estiguin formats per persones amb experiència rellevant en protecció i situacions EMI generals. Aquesta secció proporcionarà una visió general d'alguns dels possibles consells o protecció EMI.

1. Disseny de gabinet i tancament

Com s'ha esmentat anteriorment, és impossible dissenyar tancaments sense certes obertures que serveixin de reixes de ventilació, forats de cables, portes i per a coses com ara interruptors, entre d'altres. Aquestes obertures dels recintes, independentment de la seva mida o forma, a través de les quals una ona EM pot entrar o sortir del recinte, en termes EMI, es denominen ranures. Les ranures s’han de dissenyar de manera que la seva longitud i orientació respecte a la freqüència RFI no les converteixi en una guia d’ones, mentre que la seva mida i disposició en el cas de les reixes de ventilació han de mantenir un equilibri adequat entre el flux d’aire necessari per mantenir els requisits tèrmics. dels circuits i la capacitat de controlar l’EMI en funció de l’atenuació del senyal necessària i de la freqüència RFI implicada.

En aplicacions crítiques com a equipament militar, les ranures com les portes, etc., solen estar equipades amb juntes especialitzades anomenades juntes EMI. Es presenten en diferents tipus, incloses les de malla de filferro de punt i les juntes espirals metàl·liques, però es tenen en compte diversos factors de disseny (normalment costos / beneficis) abans de triar la junta. En general, el nombre de ranures ha de ser el mínim possible i la mida ha de ser el més petita possible.

2. Cables

És possible que sigui necessari que certs recintes tinguin obertures de cable; això també s'ha de tenir en compte en el disseny del recinte. En

A banda d'això, els cables també serveixen com a mitjà d'EMI conduïts com a tals en equips crítics; els cables utilitzen un blindatge trenat que després es posa a terra. Tot i que aquest enfocament és car, és més eficaç. No obstant això, en situacions de baix cost, les solucions fora de la plataforma com les boles de ferrita es col·loquen en llocs específics a la vora dels cables. A nivell de la placa PCB, també s’implementen filtres al llarg de les línies elèctriques d’entrada.

Bones pràctiques per aprovar proves EMI

Algunes de les pràctiques de disseny d’EMI, especialment a nivell de tauler, per mantenir l’EMI sota control inclouen;

1. Utilitzeu mòduls precertificats. Especialment per a la comunicació, l’ús de mòduls ja certificats redueix la quantitat de treball que ha de fer l’equip en protecció i redueix el cost de la certificació del vostre producte. Consell professional: en lloc de dissenyar una nova font d'alimentació per al vostre projecte, dissenyeu el projecte perquè sigui compatible amb les fonts d'alimentació existents. Això us permet estalviar costos en certificar la font d'alimentació.
2. Mantingueu petits bucles actuals. La capacitat d’un conductor d’acoblar energia per inducció i radiació es redueix amb un bucle més petit, que actua com una antena
3. Per als parells de traces de plaques de circuits impresos de coure (PC), utilitzeu traços amplis (de baixa impedància) alineats uns sobre els altres.
4. Localitzeu els filtres a la font d’interferència, bàsicament el més a prop possible del mòdul d’alimentació. Els valors dels components del filtre s’han d’escollir tenint en compte l’interval d’atenuació desitjat. Com a exemple, els condensadors s’auto-ressonen a certes freqüències, més enllà de les quals actuen inductivament. Mantingueu els cables del condensador de derivació el més curts possible.
5. Col·loqueu components a la PCB tenint en compte la proximitat de fonts de soroll a circuits potencialment susceptibles.
6. Col·loqueu els condensadors de desacoblament el més a prop possible del convertidor, especialment els condensadors X i Y.
7. Utilitzeu plans de terra quan sigui possible per minimitzar l’acoblament radiat, minimitzar l’àrea de la secció transversal dels nodes sensibles i minimitzar l’àrea de la secció transversal dels nodes d’alta intensitat que poden radiar, com els dels condensadors de mode comú.
8. Els dispositius de muntatge superficial (SMD) són millors que els dispositius amb plom per tractar l’energia de RF a causa de les inductàncies reduïdes i la ubicació més propera dels components.

Tot plegat, és important comptar amb persones amb aquestes experiències de disseny al vostre equip durant el procés de desenvolupament, ja que ajuda a estalviar costos en certificació i també garanteix l’estabilitat i la fiabilitat del vostre sistema i el seu rendiment.