Почему вы должны учитывать соответствие EMC и контрмеры EMI в начале вашего дизайна
Узнайте немного истории соответствия EMC, некоторой теории EMI и некоторых общих контрмер EMI.
История соблюдения EMI
Это было в 1938 году, когда в истории проверки соответствия требованиям EMC (электромагнитная совместимость) произошел критический момент: FCC (Федеральная комиссия по связи) представила свой первый набор ограничений на выбросы передатчиков.
По данным Com-Power Corporation, в 1892 году наблюдалось, что линии электропередач могут негативно повлиять на работу телеграфных кабелей. Именно это наблюдение привело к Закону о телеграфе 1892 года в Германской империи. В связи с этим, в частности, возникла необходимость в эффективном регулировании и точном оборудовании для тестирования ЭМС.
По мере развития технологий для удовлетворения наших потребностей и потребностей в таких областях, как интеллектуальные сети, смарт-автомобили и смартфоны, также должно быть установлено соответствующее оборудование для тестирования EMC, чтобы обеспечить безопасное использование таких интеллектуальных устройств с точки зрения EMI.
«Подождем, посмотрим, пройдет ли он»
К сожалению, «ожидание, чтобы проверить, проходит ли он», действительно является подходом некоторых, согласно Мишелю Мардигуану в его книге « Управление помехами в компьютерах и микропроцессорном оборудовании» (стр. V). Он утверждает, что «Борьба с этим явлением (EMI) часто считается областью узкоспециализированных лиц и поэтому не учитывается на начальных этапах проектирования, вместо этого ожидаемые тестовые данные ожидаются«, чтобы увидеть, «.
Если вы, разработчик электроники или инженер, не обращаетесь к проблемам с электромагнитными помехами или не планируете устранять сбои в тестировании EMC, вы ставите себя в опасную ситуацию. Попытка скопировать PCB так, чтобы он прошел тестирование EMI, может быть дорогостоящим, может потребоваться много времени, это может быть и то, и другое, либо просто не работает. В моем личном опыте, как практикующий инженер-электрик, многие инженеры и многие другие менеджеры просто не понимают, насколько важно решать проблемы EMI с самого начала проектирования.
Слишком легко для них сказать «давайте позаботимся об этом позже». Этот ответ всегда заставляет меня думать о старой поговорке: если у вас нет времени сделать это правильно в первый раз, когда у вас будет время сделать это снова. Обеспечение добавления контрмер электромагнитных помех (таких как наличие паяльников, предназначенных для крепления металлических экранирующих коробок, или обеспечение достаточной длины кабеля для добавления ферритовых шариков или создание достаточной площади для установки материала прокладки EMI) может сэкономить ваше время, деньги и если такие контрмеры становятся необходимыми.
По моему опыту, наличие доступных опций является лучшим из обоих миров: если вы не используете контрмеры EMI в своем окончательном дизайне, тогда отлично - вы уменьшаете количество деталей и связанные с ними затраты. Но если они вам понадобятся, тогда здорово - просто добавьте их в свой окончательный дизайн.
Маленькая теория EMI
Многие инженеры и менеджеры рассматривают проблемы и теорию, связанные с EMI- и EMC, как «черную магию». Но это совсем не волшебство. Конечно, это может быть сложно, и для этого могут потребоваться некоторые математические навыки, но если вы понимаете концепции и / или имеете правильных людей (экспертов), работающих над проблемой (проблемами), вы должны быть в порядке.
Концепция источника для жертвы широко распространена в мире EMI. Когда существует проблема EMI, всегда есть источник шума и жертва, где возникают проблемы или проблемы. Кроме того, для того, чтобы источник помех вызывал помехи, должен существовать путь связи между источником и жертвой. Таким образом, EMI можно уменьшить в одной или нескольких из следующих областей:
- Источник: помехи могут быть уменьшены на этом уровне посредством развязки, экранирования или просто создания менее шумного дизайна.
- Путь сцепления: здесь можно уменьшить интерференцию путем интервала и / или экранирования, если путь связи является излучением или с использованием фильтров, если канал связи является проводящим.
- Жертва: Уменьшение помех может быть достигнуто путем локального развязывания, изоляции или экранирования или путем изменения схемы / устройства таким образом, чтобы компоненты были менее восприимчивы к EMI.
Рисунок 1. Три основных элемента ситуации с испусканием / восприимчивостью. Изображение предоставлено Мардигяном (стр. 1.2)
Снижение шума можно измерить в единицах дБ (децибел). Чтобы оценить количество шумоподавления в результате использования фильтра или экрана, мы используем следующее выражение:
дБ = 20 log10 (V OUT / V IN)
Например, защитное устройство, которое ослабляет напряжение в 10 раз (отношение вольт / вольт - безразмерное число), должно сказать, что защитное устройство обеспечивает эффективность экранирования 20 дБ. См. Таблицу 1 ниже для значений децибел как отношение.
Таблица 1. Децибел как коэффициент
Согласно Мардигуану (стр. 1.2, 1.4), эффективность затухания в значениях дБ может быть сгруппирована следующим образом:
- 0 до 10 дБ = плохое затухание. Фильтр, который уменьшает шум (или экран, уменьшающий поле EMI) на эту величину, вряд ли платит за себя. Эффект может быть заметным, но на него нельзя полагаться на устранение проблем с электромагнитными помехами.
- От 10 до 30 дБ = минимальный диапазон для достижения значимого затухания. В мягких случаях проблемы с EMI будут устранены.
- 30-60 дБ = диапазон, где могут быть решены средние проблемы электромагнитных помех.
- Более 60 дБ = диапазон для усиления сверхсреднего затухания - требует особого внимания и качества в экранах и / или фильтрах (подготовка поверхности, прокладка и склеивание). Зарезервировано для оборудования, которое должно работать со 100% надежностью в экстремальных условиях.
Общие контрмеры EMI
Ниже приведен список общих контрмер EMI:
Металлические защитные коробки
- Такие коробки имитируют маленькие клетки Фарадея. Их цель состоит в том, чтобы максимально измерить все электрически шумные компоненты.
- См. Рис. 6 и 9 моего Teardown Tuesday: Leeo Wi-Fi Углерод и дымовая сигнализация для двух примеров экранирующих коробок.
Взаимосвязи
Плоский ленточный кабель: идеальное, хотя и не всегда возможно, разделение цифровых сигналов с заземлением. См. Рисунок 2 ниже.
Рисунок 2. Варианты уменьшения электромагнитных помех с плоскими ленточными кабелями
- Витая пара. Дифференциальные сигналы скручиваются друг с другом, или односторонний сигнал скручивается с помощью обратного провода. С дифференциальными сигналами этот подход очень эффективен в отношении принимаемого синфазного шума, поскольку дифференциальный приемник будет отменять этот шум. Сгенерированный EMI также уменьшается, поскольку токи, движущиеся в противоположных направлениях в двух проводах, будут создавать поля, которые уравновешивают друг друга.
- Экранированная витая пара: в контексте идеализированной дифференциальной сигнализации экранирование не нужно, но в реальной жизни связь между двумя проводами не идеальна, и отказ синфазного сигнала приемника не бесконечен. Таким образом, экранирование вокруг пары дополнительно уменьшает эффект генерируемых и полученных EMI.
- В общем случае неэкранированный кабель действует как антенна, которая принимает или излучает электромагнитные помехи. Проводящая экранировка, часто связанная с наземным узлом, помогает отражать и поглощать электромагнитные помехи, прежде чем может негативно повлиять на цепь.
Рисунок 3. Экранированная витая пара
Ферритовые бусины (также называемые ферритовыми сердечниками или дросселями). Ферритовые шарики подавляют высокочастотные электрические сигналы. При подключении к кабелю они помогают смягчить влияние полученных EMI и уменьшить количество генерируемых EMI. Комплекты навесов Ferrite (см. Рис. 4) доступны для тестирования и устранения неисправностей EMI, будь то устранение неполадок или тестирование в полевых условиях в лаборатории тестирования соответствия EMC.
Рисунок 4. Набор ферритовых шариков. Изображение предоставлено компанией Laird-Signal Integrity Products на Digi-Key
Дизайн финальной коробки
Конечный корпус должен идеально вести себя как клетка Фарадея; то есть он должен обеспечивать непрерывный проводящий корпус. Однако это обычно нецелесообразно, поскольку в корпусах требуются промежутки или доступ к портам для вентиляции, обслуживания, кабелей и компонентов пользовательского интерфейса, таких как кнопки и переключатели.
Поэтому при проектировании окончательного корпуса следует учитывать следующие пункты:
Удерживайте количество и размеры отверстий до минимума. См. Рис. 5 и 6 ниже.
Рисунок 5. Необязательно большой порт доступа. Плохой дизайн
Рисунок 6. Лучшая конструкция. Отверстия для шкафа имеют надлежащий размер, а экраны кабелей заземлены при входе
- Крышные вентиляционные отверстия с проводящими сетками. Тонкость сетки зависит от используемых частот электромагнитных помех, причем более высокие частоты требуют меньших отверстий.
- Материал прокладки EMI используется для герметизации зазоров в дверях, шарнирных сторонах или панелях. См. Рис. 7 и 8 ниже.
Рисунок 7. Материал прокладки EMI. Изображение предоставлено SASIndustries (страница 04)
Рисунок 8. Индивидуальные прокладки EMI. Изображение предоставлено SASIndustries (страница 06)
В итоге
EMI / EMC не является «черной магией», хотя она может быть довольно сложной, особенно в высокочастотных системах. Если вы инженер-проектировщик и не понимаете EMI, убедитесь, что кто-то из вашей команды делает это. И если никто этого не делает, подумайте о найме консультанта EMI в самом начале вашего проекта. Прежде всего, не игнорируйте EMI и «ждите, чтобы проверить, проходит ли это» тестирование EMC - это решение может оказаться очень дорогостоящим и / или трудоемким.