Понимание проведенного против излучаемого Эми и как их смягчить

Понимание проведенного против излучаемого EMI и как их смягчить

Электромагнитные помехи (ЭМИ) являются неизбежной реальностью в современных электронных системах. По мере того, как устройства сокращаются и тактовая частота увеличивается, электромагнитная среда становится более переполненной, что делает помехи основной угрозой производительности и надежности. Инженеры должны понимать два основных типа ЭМИ - проводимые и излучаемые - для разработки эффективных стратегий смягчения последствий. Каждый тип следует различным путям передачи, требует различных методов измерения и требует индивидуальных методов подавления. Эта статья обеспечивает подробное сравнение проводимых и излучаемых ЭМИ, объясняет их коренные причины и обеспечивает действенное руководство для сокращения обоих в производственных проектах.

Что такое EMI проводимый?

Проводимый ИМЭ является нежелательной электромагнитной энергией, которая распространяется вдоль физических проводников, таких как силовые кабели, сигнальные провода или наземные плоскости. Он проявляется в виде токов шума или напряжений, наложенных на предполагаемые электрические сигналы. Проводимый ИМЭ может либо возникать внутри устройства и перемещаться наружу (выбросы), либо входить в устройство из внешнего источника (восприимчивость). Поскольку он проходит через металлические пути, проводимый ИМЭ обычно легче найти и измерить, чем его излучаемый аналог.

Источники проводимой EMI

Общие источники включают в себя коммутационные источники питания, преобразователи постоянного тока, цифровые тактовые осцилляторы, приводы двигателей и любую схему с быстро меняющимися токами (высокий ди/дт). Переключение событий генерирует высокочастотные гармоники, которые могут подключаться к распределительной сети. Даже, казалось бы, доброкачественные компоненты, такие как длинные кабельные прогоны между платами, могут действовать как непреднамеренные антенны для проводимого шума.

Частотный диапазон и режимы сопряжения

Проводимый ЭМИ обычно считается доминирующим ниже 30 МГц, хотя точная граница частот зависит от нормативного стандарта (например, CISPR 11, CISPR 25, FCC Part 15). Шум можно дополнительно классифицировать на два режима сцепления:

• Общий режим (CM): Шум, который появляется одинаково на обоих проводниках относительно земли.Токи обычного режима часто возникают из-за емкостной связи между цепью и шасси или из-за несбалансированных импедансов. Шум CM особенно проблематичен, потому что он может преобразовываться в излучаемые выбросы на более высоких частотах.
• Дифференциальный режим (DM): Шум, который существует между двумя проводниками цепи. шум DM является результатом нормальной работы цепи, такой как рябь от регулятора переключения. Его легче фильтровать, чем шум CM, но он все еще может вызывать помехи, если не управлять должным образом.

Измерение проводимого EMI

Проводимые выбросы измеряются с помощью сети стабилизации линейного импеданса (LISN). LISN представляет определенное импеданс (обычно 50 мкН + 50 Ω) для испытываемого оборудования (EUT) в интересующем диапазоне частот (обычно от 150 кГц до 30 МГц для большинства коммерческих стандартов). Он также изолирует EUT от сетевой сети электропитания, гарантируя, что измерения отражают только собственный шум устройства. Анализатор спектра или приемник EMI, подключенный к LISN, захватывает уровни помех. Понимание работы LISN имеет решающее значение для надлежащего тестирования перед соблюдением; отличная ссылка на дизайн и использование LISN можно найти в Rohde & Обзор LISN Шварца .

Что такое радиационная EMI?

Радиационная ЭМИ — это электромагнитная энергия, которая распространяется через свободное пространство в виде радиоволн, не требуя физического проводника. Она излучается из корпуса устройства, кабелей, следов ПХБ или внутренней проводки. Поскольку излучаемые поля могут влиять на ближайшее оборудование на значительных расстояниях, эта форма помех жестко регулируется такими стандартами, как CISPR 32, FCC Part 15 и EN 55032. Радиационная ЭМИ сложнее диагностировать и подавлять, чем проводимая ЭМИ, потому что ее путь менее предсказуем.

Источники радиационной EMI

Ключевыми вкладчиками являются высокоскоростные цифровые шины (USB, HDMI, PCIe), тактовые линии, быстроподнимающиеся края коммутационных транзисторов и длинные кабели, выступающие в роли непреднамеренных антенн. Любой проводник, несущий изменяющийся во времени ток, будет излучать электромагнитное поле. Эффективность излучения зависит от петлевой области токового пути, времени подъема сигнала и геометрии относительно наземных плоскостей. Например, плавучий кабель, прикрепленный к высокоскоростной линии, может стать четвертьволновой монопольной антенной.

Типы частот и поля

Излучаемый ИМТ наиболее значителен выше 30 МГц, хотя может возникать на более низких частотах, если источник достаточно велик. Выбросы характеризуются как электрическими полями (E-поле), так и магнитными полями (H-поле). Измерения ближнего поля (в пределах длины волны источника) выявляют отдельные компоненты E-поля и H-поля, в то время как измерения дальнего поля рассматривают их как плоскую волну. Понимание типа поля важно при выборе защитных материалов, поскольку некоторые материалы более эффективны для магнитных полей против электрических.

Измерение радиационного EMI

Излучаемые выбросы измеряются с помощью антенн, расположенных на заданном расстоянии (обычно 3 м, 10 м или 30 м) от EUT внутри анехой камеры или на испытательном полигоне открытой зоны (OATS). Различные антенны охватывают разные полосы частот: биконические (30-300 МГц), лого-периодические (300 МГц-1 ГГц) и роговые антенны (выше 1 ГГц). Измерение выполняется с помощью анализатора спектра или приемника EMI с использованием пиковых, квазипиковых и средних детекторов. Для точных результатов камера должна иметь достаточное поглощение для предотвращения отражений, а испытательная установка должна соответствовать стандартам, таким как ANSI C63.4 или CISPR 16-1-4. Полное введение в излучаемое тестирование EMI доступно из примечания приложения Keysight по основам измерения EMI .

Основные различия между проводимой и радиационной ИМТ

Хотя оба типа ЭМИ ухудшают производительность системы, они принципиально различаются по тому, как они распространяются, как они измеряются и как они контролируются. В таблице ниже приведены основные различия.

Эти различия определяют выбор стратегий смягчения последствий. Например, фильтр линии электропередач, который хорошо работает для проводимых выбросов, может мало влиять на один и тот же шум, если он излучается от кабельного экрана. И наоборот, металлический корпус, который блокирует излучаемые выбросы, не будет подавлять шум, который уже существует на проводах ввода мощности.

Стратегии смягчения последствий для проводимой ЭМИ

Сокращение проводимой ЭМИ требует внимания как к источнику шума, так и к пути распространения. В производственных конструкциях доказаны следующие методы.

фильтрация

Наиболее прямой подход заключается в вставке фильтра нижних частот на пораженный проводник. Для шума в общем режиме используйте удушающие устройства общего режима (CMC) с высоким импедансом в интересующем диапазоне частот. Для шума в дифференциальном режиме используйте LC-фильтры (индуктор + конденсатор) или π-фильтры. Ферритовые шарики эффективны для высокочастотного шума, но должны быть тщательно подобраны, чтобы избежать насыщения током постоянного тока. Проводные конденсаторы обеспечивают отличную фильтрацию высокочастотного шума на линиях электропередач при сохранении низких потерь при вставке.

Практическая конструкция фильтра должна учитывать импедансы источника и нагрузки. Несоответствие между импедансом фильтра и импедансом схемы может снизить эффективность фильтра. Например, удушье в обычном режиме работает лучше всего, когда импедансы источника и нагрузки низкие (ниже нескольких сотен ом).

Заземление и связывание

Правильное заземление необходимо для предотвращения заземления и обеспечения низкоимпедансного обратного пути для шумовых токов. Используйте топологию заземления звезд для низкочастотных аналоговых схем, но для высокочастотных цифровых конструкций предпочтительнее твердая плоскость заземления. Убедитесь, что все наземные соединения имеют минимальную индуктивность, используя широкие следы, несколько сквозняков и избегая длинных тонких наземных проводов. Связь между шасси и заземлением схемы должна быть преднамеренной: как правило, одноточечное соединение в точке входа в систему питания рекомендуется для предотвращения циркуляции шумовых токов через шасси.

Дизайн кабеля

Скрученные пары кабелей эффективны при отмене дифференциального шума, потому что магнитные поля от каждого проводника отменяются в дальнем поле. Для отторжения в обычном режиме используйте экранированные кабели с экраном, заземленным на обоих концах (если щит предназначен для возврата с низким сопротивлением) или на одном конце (чтобы избежать заземления петлей). щит должен быть надлежащим образом завершен с связью 360° на разъеме, чтобы избежать эффектов свинца, которые ухудшают производительность экранирования.

PCB оптимизация макетов

Решения о разбивке, принятые на ранних этапах проектирования, могут резко снизить проводимый шум. Сохраняйте высокоточные петли физически маленькими и отделенными от чувствительных низкоуровневых сигнальных путей. Используйте выделенные силовые и наземные плоскости для минимизации индуктивности петли. Поместите разъединяющие конденсаторы как можно ближе к штифтам мощности ИС, с короткими следами к наземной плоскости. Избегайте пробега длинных параллельных следов, которые могут связывать шум между цепями. Для конструкций со смешанными сигналами используйте отдельные аналоговые и цифровые основания, которые встречаются только при источнике питания.

Стратегии смягчения последствий для радиационной ИМТ

Радиационное смягчение ЭМИ направлено на то, чтобы устройство не действовало как эффективная антенна.Три основных подхода — экранирование, конструкция компоновки и использование поглощающих материалов.

щит

Замыкание цепи в проводящем металлическом корпусе является наиболее эффективным способом блокирования излучаемых выбросов. Эффективность щита (SE) зависит от проводимости материала, толщины и наличия апертур. Для электрических полей тонкий проводящий слой (например, алюминиевая фольга) обеспечивает высокий SE, поскольку поле отражается от проводящей поверхности. Для магнитных полей необходимы более толстые ферромагнитные материалы (сталь, му-металл) потому что магнитные поля проникают легче. Общие материалы для коммерческих корпусов включают оловянную сталь, алюминий и проводящие пластмассы. Все отверстия (швы, вентиляционные отверстия, кабельные входы) должны быть меньше 1/20 длины волны при наибольшей частоте беспокойства для предотвращения утечки. Использование прокладок из бериллия меди вдоль швов корпуса помогает поддерживать низкое сопротивление.

Для более глубокого понимания концепций экранирования В руководстве журнала Compliance Magazine по материалам экранирования EMC предлагаются практические критерии отбора.

PCB Layout и Antenna Reduction (сокращение антенн)

Минимизация петлевых областей на высокоскоростных сигнальных путях является основным правилом. Каждый токовый цикл на ПХБ действует как небольшая петлевая антенна — излучаемое поле пропорциональна петлевой области. Использование твердых наземных плоскостей непосредственно под сигнальными слоями уменьшает площадь петли, обеспечивая плоскость изображения. Маршрут критических тактовых линий над непрерывной землей, избегая прорезывания наземной плоскости и используя микрополосы или полосовые геометрии для управления импедансом. Держите 1 нФ — 10 нФ конденсаторы обхода на каждом штифте питания, размещенные как можно ближе, чтобы уменьшить петлю силового поля.

Другой ключевой метод заключается в замедлении скорости кромки, где это возможно. Многие тактовые сигналы могут выдерживать ряд резисторов (например, 22-33 Ом), расположенных рядом с водителем, чтобы ослабить звон и уменьшить высокочастотные гармоники. Для линий ввода-вывода, которые выходят из ПХД, используйте ферритовые шарики или фильтры общего режима на разъеме, чтобы предотвратить шум от соединения с внешними кабелями, которые затем излучают.

Фильтрация для радиационного EMI

В то время как фильтрация чаще ассоциируется с проводимым шумом, она также помогает излучать выбросы при применении на интерфейсах на уровне платы. Размещение конденсаторов подачи на всех сигналах и линиях электропередач, которые выходят из корпуса, создает фильтр низкого прохода, который ослабляет высокочастотную энергию, прежде чем он может соединиться с кабелями или корпусом. Фильтры с навесной подачей (считываются с припоем или резьбовым креплением) типичны для военного и промышленного оборудования. Для бытовой электроники микросхемы ферритовых бусин на трассах ПХБ вблизи разъемов служат аналогичной цели.

Поглощающие материалы

Когда экранирование на основе отражения нецелесообразно из-за веса или стоимости, поглощающие материалы могут ослаблять излучаемую энергию путем преобразования ее в тепло. Общие поглотители включают ферритовые плитки (полезные для низкочастотных магнитных полей до примерно 100 МГц), углеродсодержащие пены (для более высоких частот) и гибридные композиты. Эти материалы часто применяются внутри корпуса вокруг шумного компонента или в качестве накладок в RF-щите. Поглотители особенно полезны для уменьшения резонансов полостей внутри металлических корпусов.

Целостный подход к смягчению EMI

Реальные конструкции редко имеют чисто проводившиеся или чисто излучаемые проблемы. Шумный регулятор переключения будет производить как проводящий шум на входных линиях электропередач, так и излучаемый шум от индуктора и следов. Поэтому успешная стратегия ЭМИ должна решать обе одновременно. Следующие методы интегрируют проводимое и излучаемое смягчение в согласованный поток проектирования:

• Разработка для соответствия с самого начала: Выявление вероятных источников шума (высокий ди/дт, высокий dv/dt) при проектировании на уровне блока.Выберите компоненты с гармониками более низкой частоты, такие как осцилляторы с расширенным спектром или регуляторы мягкого переключения.
• Использовать предварительные испытания на соответствие: Выполнение проведенных и излучаемых измерений на ранней стадии с помощью зондов LISN и ближнего поля может сэкономить месяцы редизайна. Набор зондов ближнего поля (H-field и E-field) помогает находить горячие точки на ПХБ до формального камерного тестирования.
• Применять инструменты моделирования: Программное обеспечение для моделирования ЭМ (например, Keysight ADS, CST или ANSYS HFSS) позволяет дизайнерам моделировать стек-ап, трассировку и эффекты корпуса ПХБ перед созданием прототипов. Это особенно ценно для излучаемого EMI, где изменения макета оказывают огромное влияние.
• Документ и итерация: Ведите учет мер по смягчению последствий и их эффективности. Изменение, которое уменьшает проводимый шум, может увеличить излучаемый шум (например, добавление большого конденсатора, который создает новую петлю). Систематическая документация помогает сбалансировать компромиссы.

Для всестороннего обзора мер по снижению ЭМИ от выбора компонентов до окончательного тестирования веб-сайт стандартов EMI предоставляет множество бесплатных ресурсов по нормативным требованиям и передовой практике.

Заключение

Проводимая и излучаемая ЭМИ представляют собой различные проблемы в конструкции электронной системы. Проводимая ЭМИ проходит через провода и легче фильтруется с помощью удушья, конденсаторов и правильного заземления. Радиационная ЭМИ распространяется через пространство и требует экранирования, тщательной компоновки ПХД и поглощающих материалов для подавления. Эти два часто сосуществуют; одна коммутационная схема может генерировать оба типа. Понимая пути передачи, методы измерения и методы смягчения, специфичные для каждого, инженеры могут разрабатывать надежные конструкции, которые проходят тестирование на соответствие с первой попытки. Инвестирование в оценку соответствия и принятие целостного подхода к проектированию в конечном итоге снижает стоимость, сокращает время выхода на рынок и обеспечивает надежную работу во все более переполненном электромагнитном спектре.