EMI/RFI Überlegungen & Die Wahl Ihrer Lösung

In den letzten Jahrzehnten gab es eine beträchtliche Menge an Diskussionen über IoT und wie es die Welt, in der wir leben, verändert. In einfachen Worten, der radikale Anstieg der Elektronifizierung von Produkten, die wir jeden Tag verwenden, schafft einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie wir auf globaler Ebene leben, Geschäfte machen, Kontakte knüpfen und interagieren. Dies wiederum hat sich auf fast jede Branche ausgewirkt, da sich die Kundenerwartungen ändern und neue Funktionen eingeführt werden.

Beispiele für Branchen, die stark von dieser Verschiebung betroffen sind, sind:

• Geräte können jetzt zugehörige Produkte online bestellen, z. B. Kühlschränke mit Touchscreens, um Lebensmittel zu bestellen, oder Waschmaschinen, die Waschmittel online bestellen können.
• Smart Houses, mit denen Sie Sicherheit, Temperatur, Beleuchtung und andere Umgebungs- oder Komfortsteuerungen mit Ihrem mobilen Gerät steuern können.
• Spielekonsolen und Fernseher, die blitzschnelle, benutzerdefinierte Inhalte, Echtzeitkommunikation und soziale Verbindungen liefern.

• Elektrofahrzeuge werden immer häufiger - einschließlich des Nahverkehrs - mit umfassender Konnektivität.
• Vernetzte Dashboards, Sensoren und Displays bieten mehr Sicherheitsfunktionen, eine bessere Überwachung und verbesserte Effizienz.
• Autonome Fahrzeuge werden Realität, werden bald die Art und Weise verändern, wie wir Waren versenden und liefern.

• Überwachungs- und medizinische Therapiegeräte sind kleiner und tragbarer für den Heimgebrauch.
• Die Erfassung und Speicherung medizinischer Daten wird zunehmend automatisiert.
• Artikel, die bisher manuell waren und von Blutdruckmanschetten bis hin zu chirurgischen Werkzeugen reichten, integrieren zunehmend Elektronik für eine bessere Genauigkeit und Patientenversorgung.

• Das Rückgrat, das all diese Geräte ermöglicht und die Welt in Verbindung hält.
• Datenverarbeitung, Speicherung und Cloud Computing
• Bidirektional zum Bereitstellen und Empfangen von Daten mit hoher Geschwindigkeit mit immenser Zuverlässigkeit, um Echtzeitfunktionen zu ermöglichen

Andere Branchen sind von der globalen Elektronifizierung betroffen, wie z. B. Fertigungsprozesse und -ausrüstung, industrielle Automatisierung, industrielle Stromerzeugung und -umwandlung, erneuerbare Energien und landwirtschaftliche Geräte, da sie automatisierter und datenintelligenter werden, um die Effizienz zu optimieren, den Energieverbrauch zu senken, die Erträge zu maximieren und die Nachhaltigkeit zu verbessern.

Da diese Branchen Grenzen überschreiten, neue Geräte entwickeln, Funktionen hinzufügen, eine bessere Konnektivität ermöglichen und die Erwartungen der Kunden erhöhen, wächst die Menge an Übersprechen und elektromagnetischen Störungen, die durch diese Verbreitung erzeugt werden, exponentiell. Es ist unerlässlich, dass neue Generationen integrierter Elektronik mit erhöhten EMI-Risiken umgehen können, um Zuverlässigkeit und Funktionalität aufrechtzuerhalten.

Elektromagnetische Interferenz (EMI), manchmal auch als Hochfrequenzstörung (RFI) bezeichnet, ist eine Störung (entweder dauerhaft oder vorübergehend) in einem elektrischen Signal, die durch eine elektrische oder magnetische Quelle verursacht wird. Zu diesen Quellen gehören abgestrahlte elektromagnetische Felder, unterschiedliche Spannungen und Strom von einer externen Quelle oder einem externen Gerät. Geräte reagieren sehr empfindlich auf diese Effekte, da sie elektrische Signale verarbeiten und Strom verbrauchen, um zu funktionieren. EMI-Störungen können die Schaltungsleistung beeinträchtigen, die Fehlerraten und Datenverluste erhöhen, Leistungsunterbrechungen oder einen vollständigen Geräteausfall verursachen.

EMI-Quellen reichen von anderen elektronischen Geräten, Sendern, Motoren, Stromversorgungen und Umgebungsfaktoren wie Blitz oder Sonne. Da immer mehr integrierte elektronische Geräte zum Standard werden, in unmittelbarer Nähe entwickelt wurden und in denselben Umgebungen betrieben werden, kann jedes Gerät dazu führen, dass andere zunehmend EMI-Probleme haben, es sei denn, es werden geeignete Lösungen entwickelt, um sie zu verhindern oder zu kontrollieren.

Die vollständige Eliminierung von EMI ist in realen Anwendungen nicht praktikabel, da keine Signale von einem Gerät kommen oder gehen können. Daher ist es unerlässlich, Endgeräte von Anfang an unter Berücksichtigung der EMI zu gestalten. Da es fast unmöglich ist, jede mögliche Quelle und jedes Verhalten von EMI-Herausforderungen während des Designs zu modellieren, ist es ebenso wichtig, darauf vorbereitet zu sein, während der Tests geschickt Fehler zu beheben, um unvorhergesehene EMI-Herausforderungen zu lösen, sobald sie auftreten.

EMI kann in zwei Typen in verschiedenen Kategorien unterteilt werden:

• Nach Dauer der Störung
  • Kontinuierliches oder impulsives "Rauschen"
• Nach Bandbreite
  • Schmal, das typischerweise von absichtlichen Übertragungen wie mobilen Geräten stammt, oder Broad, oft unbeabsichtigt wie Stromleitungen
• Natürlich vorkommend vs vom Menschen gemacht

Ein elektrischer Stromeffekt. Leitungsrauschen wird zwischen mehreren Komponenten durch angeschlossene Drähte oder Ströme gekoppelt, z. B. durch Stromversorgungs- oder Erdungsdrähte. Eine häufige Ursache für die Impedanzkopplung ist, wenn Ströme von zwei oder mehr Stromkreisen durch dieselbe Komponente oder Schaltung fließen. Die meisten leitungsgebundenen Kopplungen erfolgen über Wechselstromleitungen.

Es kann auch zwei Leitungsmodi geben:

• Häufig: Rauschen tritt in der gleichen Phase auf den beiden Leitern auf, z. B. beim Ausgang und Return für Signale.
• Differenzial: Rauschen ist auf den beiden Leitern phasenverschoben

Die erforderlichen Filtertechniken hängen von der Art der Kopplung ab. Der Gleichtakt wird zusammen gefiltert, während Differential zusammen oder separat gefiltert werden kann.

Ein elektromagnetischer Effekt und der am leichtesten zu bestimmende. Dies tritt normalerweise auf, wenn Quelle und Opfer durch eine große Entfernung getrennt sind, typischerweise mehr als eine Wellenlänge. Die elektrische Feld- und Magnetfeldkopplung wird im Nahfeldzustand separat diagnostiziert. Im Fernfeldzustand wird die Kopplung als ebene Welle behandelt.

Ein elektrischer oder magnetischer Feldeffekt.

Induktive (oder kapazitive) Kopplung

• Magnetfeldkopplung, die durch Stromfluss in den Leitern verursacht wird. Es tritt häufig auf, wenn ein unterschiedliches Magnetfeld zwischen der Quelle und dem Opfer existiert - typischerweise, wenn zwei Leiter nahe beieinander laufen (weniger als λ voneinander entfernt). Dies induziert einen Strom in der Opferschaltung und überträgt dadurch das Signal von Quelle zu Opfer. Der Kopplungsmechanismus kann von einem Transformator modelliert werden.

Kapazitive Kopplung

• Elektrische Feldkopplung, die durch eine Spannungsdifferenz zwischen Leitern verursacht wird. Die sich ändernde Spannung von der Quelle überträgt eine Ladung auf die Opferschaltung. Der Kopplungsmechanismus kann von einem Kondensator modelliert werden.

Es ist wichtig, diese Eigenschaften und Modelle zu berücksichtigen, wenn Sie Ihre Anwendung entwerfen und EMI-Materialien auswählen, um diese Probleme zu lösen. Obwohl EMI in der gesamten Elektronik vorhanden ist, kann es drastisch reduziert werden, wenn Sie die Quelle vollständig verstehen und definieren.

Das richtige Design und die richtigen Materialien optimieren die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), ohne andere Designanforderungen wie Dimension, Kosten und Ästhetik zu beeinträchtigen. Ideale und geeignete Lösungen werden auch davon beeinflusst, wann die Herausforderung der Interferenzleistung identifiziert wird - während des Entwurfs oder der Prüfung. Es gibt viele standardmäßige erste Schritte, die Sie beim Entwerfen Ihrer Anwendung ausführen sollten, um die EMI von Anfang an zu minimieren.

Erstellen Sie Ihr Design, um potenzielle EMI-Risiken zu umgehen. Ergreifen Sie Maßnahmen wie die Vermeidung von Schaltungsdesignschleifen, die ein unerwünschtes Stromfeld verursachen, das als Antenneneffekt bekannt ist, und entwickeln Sie Kondensator- und Transformatorkomponenten, um Kopplungsprobleme zu minimieren.

Entwerfen Sie einen Filter an einer bestimmten Stelle in der Platinenschaltung, um Rauschen zu screenen und unerwünschte Signale zu reduzieren, die über Verbindungen ein- oder ausgehen können. Störsignale haben im Allgemeinen eine Frequenz, die über der der Signale liegt, die normalerweise entlang des Drahtes oder der Leitung verlaufen. Durch das Platzieren eines "Tiefpassfilters" dürfen nur niederfrequente Signale passieren, und diese hochfrequenten Störsignale werden blockiert.

Filter gibt es in einer Vielzahl von Formaten. Sie können ein einfacher Ferrit sein, der um einen Draht herum platziert ist, oder es muss sich um mehrschichtige Lösungen mit unterschiedlichen Komponenten handeln. Filter können in zwei Schlüsseltypen eingeteilt werden. Ein Typ absorbiert unerwünschte Energie, der andere lehnt sie ab und reflektiert sie zurück. Absorption wird am häufigsten bevorzugt, aber es gibt einige Situationen, in denen letzteres erforderlich sein kann.

Bauen Sie Ihr Design so auf, dass potenzielle EMI-Risiken umgangen werden, indem Sie einen niedrigen Widerstandspfad zwischen dem Gerät und der Erde oder eine gemeinsame Referenzebene mit niedriger Impedanz bereitstellen, um EMI-Signale zu umgehen.

Bei der Entwicklung von Erdungslösungen ist es wichtig, die nicht idealen Eigenschaften des Bodens zu berücksichtigen und nicht als ideal oder nullimpedanzend zu behandeln. "Ground" ist ein relativer Begriff, der sich auf einen Leiter bezieht, der für die gemeinsame Rückkehr verwendet wird, Erdung ist nur ein Szenario. Zum Beispiel kann das Grounding in einem Elektrofahrzeug Unterschiede von mehreren Volt zwischen Punkten auf dem Rahmen aufweisen, während ein Flugzeug Unterschiede von 10V-100V innerhalb der Struktur aufweisen kann.

Eine grundlegende Theorie ist, dass die Erdung eine praktikable Lösung ist, wenn die Frequenz niedriger als 200 MHz ist, aber wenn die Frequenz höher als 200 MHz ist, erzeugt sie Strahlung, und die beste Lösung wird ein Abschirmgehäuse oder leitfähiger Schaum, um die Frequenz und die nachfolgende Strahlung zu verwalten. Abschirmgehäuse sind eine häufige Komponente des anfänglichen Gerätedesigns. Leitfähige Schaumlösungen für Abschirmfrequenz und Strahlung oder eine Kombination aus leitfähiger Schaumdichtung und Abschirmgehäusen sind ebenfalls eine gängige Lösung.

Wenn ein Gerät an die Stromversorgung oder Stromversorgung von Spannung "angeschlossen" ist und ein unausgeglichener Strom auftritt, ist es am besten, einen Ferritkern oder eine flexible Ferritbandfolie am Kabel zu entwerfen, um abgestrahltes "Rauschen" abzuschirmen.

EMV ist die Fähigkeit elektrischer oder elektronischer Geräte und Systeme, in ihrer vorgesehenen Betriebsumgebung ohne Probleme wie Unterbrechungen oder Verschlechterungen durch unbeabsichtigte EMI zu funktionieren. Es ist wichtig, dass Geräte in unmittelbarer Nähe betrieben werden können, ohne die Leistung und Stabilität des anderen zu beeinträchtigen, da immer mehr Elektronikgeräte in gemeinsam genutzten Umgebungen arbeiten.

Die Erhöhung der Geräte schafft in jeder Umgebung ein viel größeres Potenzial für EMI-"Rauschfaktoren", was die Messung und Planung zunehmend erschwert. In der Regel ist es am besten, die EMV-Leistung unter isolierten Bedingungen oder in einem Abschirmraum zu messen und zu testen, um sicherzustellen, dass bei einer Basismessung keine unerwarteten "Rauscheffekte" von externen Quellen auftreten.

Bei der Prüfung auf fertige Produkte sind Drei-Meter- und Zehn-Meter-Tests die am häufigsten verwendeten Methoden, um ein Produkt nach bestimmten EMV-Anforderungen zu zertifizieren. Eine Prüfeinrichtung bietet Zertifizierungen für abgestrahlte Emissionen und abgestrahlte Störfestigkeitsanforderungen nach verschiedenen internationalen Normen, die in ANSI C63.4, EN50147 Teil 2 (Emissionen) und EN61000-4-3 (Störfestigkeit) spezifiziert sind.

Für HF-Module oder Halbzeugkomponenten kann ein "Rausch"-Scanner oder Spektrumanalysator verwendet werden, um das "Rauschen" vor der Prüfung der Endmontage zu messen. Es ist ideal, um "Rauschen" auf Komponentenebene zu erkennen, die Quelle des "Rauschens" zu identifizieren und das Design so anzupassen, dass Interferenzen korrigiert werden, bevor das Produktdesign abgeschlossen und mit der EMV-Konformitätsprüfung fortgefahren wird.

Es gibt immer noch Möglichkeiten, EMI-Herausforderungen ohne größere Designänderungen zu lösen, wenn ein EMI-Problem nach der Entwurfsphase identifiziert wird. Das Hinzufügen effizienter kundenspezifischer Komponenten, die entwickelt wurden, um bestimmte EMI-Probleme unter Verwendung spezialisierter technischer Materialien zu kontrollieren oder zu negieren, ist oft eine erschwingliche und zeitnahe Lösung. Der erste Schritt besteht darin, die genaue Ursache der Interferenz zu identifizieren und Lösungen zu entwickeln, um das Problem mit sorgfältig ausgewählten absorbierenden, Erdungs-, Abschirmungs- oder anderen hochspezialisierten Materialien zu mildern, die "Lärm" beseitigen können.

Isolieren Sie "Rauschen" von externen (Immunität) oder internen Strahlungsquellen (Emission), die die Datenübertragung beeinflussen, und vermeiden Sie Strahlungsleckagen durch schlechte Installation des Abschirmmaterials. Zu den geeigneten Abschirmmaterialien gehören leitfähige Schäume, leitfähige Pads, Metallgehäuse, Metallfolien, metallisierte Tücher oder sogar leitfähiger Kleber oder Epoxidharz. Die ideale Lösung hängt von den verfügbaren Abmessungen, den Leistungsanforderungen und anderen Konstruktionsspezifikationen ab.

Dies ist das einfachste und gebräuchlichste Diagnosewerkzeug zur Identifizierung von EMI-"Rauschen". Vermeiden Sie es, eine "Bias" -Spannung zu erzeugen, die als Signalgeber fungieren kann, indem Sie eine elektrisch leitfähige Komponente einfügen, die als Verbindung fungiert, die die Erdung optimiert. Diese Komponente kann ein leitfähiger Schaum, Klebstoff, Polymer oder ein Stoff-über-Schaum sein. Denken Sie noch einmal an die "Boden" -Eigenschaften und nehmen Sie keine idealen Eigenschaften an.

Wenn das EMI-"Rauschen" anhält, nachdem Erdungs- und/oder Abschirmlösungen untersucht oder eingeführt wurden, sind Absorbermaterialien die nächste zu bewertende Lösung. Um das richtige Absorbermaterial auszuwählen, ist es wichtig, den Frequenzbereich zu verstehen, der das "Rauschen" verursacht. Übliche Materialien sind magnetische oder elektrische "Rausch" -Unterdrückungsplatten oder eine Kombination aus beidem.

EMI-Absorber werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um verirrte oder unerwünschte Strahlung zu eliminieren, die den Betrieb eines Systems beeinträchtigen könnte. Absorber können extern verwendet werden, um die Reflexion von oder Übertragung auf bestimmte Objekte zu reduzieren, und können intern verwendet werden, um Schwingungen zu reduzieren, die durch Hohlresonanz verursacht werden (geschlossener Raum).

Absorber bestehen meistens aus einem Füllmaterial innerhalb einer Materialmatrix. Füllmaterialien bestehen aus einer oder mehreren Komponenten, die abgestrahltes "Geräusch" absorbieren. Um den geeigneten Absorber auszuwählen, müssen Sie die Permeabilität auf der spezifischen Frequenzebene testen, die das EMI-Leistungsproblem verursacht. Siehe die folgende Tabelle, das Material, das den Leistungsanforderungen entspricht, ist das richtige Material.

Wählen Sie eine höhere u'-Permeabilität mit niedrigerem u" (magnetischer Verlust), nachdem der problematische Frequenzbereich identifiziert wurde (z. B. GSM, das bei 600 - 800 MHz arbeitet, Wi-Fi-Arbeitsfrequenz bei 2,4 GHz). Ein dickerer Absorber hat eine bessere Absorptionsfähigkeit, wenn der Platz verfügbar ist.

Angesichts wachsender EMI-Risiken und eines exponentiellen Anstiegs von Geräten und EMI-Quellen ist es unerlässlich, dass Sie mit einem Partner für technische Materialien und Konvertierungen zusammenarbeiten, der eine vollständige Palette von Dienstleistungen von Design, Prototyping und Tests bis hin zu einer optimierten, skalierbaren Massenproduktion anbieten kann. Ein erfahrener Materialpartner versteht und verfügt über Erfahrung in der Entwicklung von EMI-Lösungen vor und nach dem Design für Ihre Anwendung und Branche sowie über fundierte Kenntnisse der potenziellen Umgebungen, in denen Ihr Gerät funktionieren muss.

Seit über 90 Jahren ist die Boyd Corporation auf Materialdesign, -verarbeitung und -herstellung spezialisiert und steht weiterhin an der Spitze der Innovation für fortschrittliche, leistungsstarke Materialien. Boyds jahrzehntelange Erfahrung und Expertise hat sich weltweit mit globaler Fertigung auf drei Kontinenten mit regionalisiertem Support und Prototyping sowie interner Test-, Design- und Materialkompetenz erweitert.

Boyd bietet ein breites Portfolio an EMI/RFI-Lösungen wie:

• Gehäuse mit kompressiblen Abschirmdichtungen aus Gewebe über Schaumstoff, leitfähigen Schaumdichtungen, Beryllium-Kupfer-Griffstockoptionen und Erdungsmaterialien, die in und um Öffnungen und Türen herum entwickelt wurden.
• Leitfähige, mit Stoff umwickelte Eingangs- / Ausgangsdichtungen und Filter für Ein- und Ausgänge.
• Flexible Ferritabsorber, die strategisch um Kabel und Kabel gewickelt sind.
• Und viele andere EMI-Materialien und -Lösungen für Abschirmung, Erdung, Absorption und Isolierung.

Boyd bietet auch technische Materiallösungen, die die wichtigsten Branchenanforderungen abdecken, sowie Wärmemanagementlösungen, -systeme und -dienstleistungen, um eine starke und unterstützende Lieferkette für Anforderungen über EMI/RFI hinaus bereitzustellen. Wenn Sie sich über Ihre nächsten Schritte zur Lösung Ihrer aktuellen und zukünftigen EMI-Herausforderungen nicht sicher sind, wenden Sie sich jederzeit während des Prozesses an einen Boyd-Ingenieur oder Materialexperten.