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EMI/RFI 注意事项和选择解决方案

概述

本文讨论了潜在 EMI 源的增长以及如何描述您的 EMI 挑战。它将介绍您可以采取哪些步骤来消除该问题,并确保应用程序正常运行。这些步骤包括开发初始设计以缓解 EMI 问题,以及如何在出现挑战时"修复"设计。本文还将介绍如何选择能够解决您的问题和要求的材料。

目前的电子市场趋势

在过去的几十年里,围绕物联网以及它如何改变我们生活的世界,人们一直在进行大量讨论。简单来说,我们每天使用的产品电子化急剧上升,正在创造我们在全球范围内生活,做生意,社交和互动方式的范式转变。这反过来又影响了几乎每个行业,因为客户期望发生了变化,并引入了新功能。

受这种转变严重影响的行业的例子包括:

消费类电子产品

  • 家电现在可以在线订购相关产品,例如带有触摸屏的冰箱,用于订购杂货或可以在线订购洗涤剂的洗衣机。
  • 智能房屋,可让您使用移动设备控制安全性,温度,照明和其他环境或便利性控制。
  • 游戏机和电视,提供闪电般快速的自定义内容,实时通信和社交连接。
触摸屏
触摸屏

交通运输

  • 电动汽车正变得越来越普遍 - 包括公共交通 - 具有广泛的连接性。
  • 互联的仪表板、传感器和显示器提供更多安全功能、更好的监控和更高的效率。
  • 自动驾驶汽车正在成为现实,将很快改变我们运输和交付货物的方式。

医疗

  • 监测和医疗治疗设备更小,更便携,适合家庭使用。
  • 医疗数据记录和存储正变得越来越自动化。
  • 以前手动操作的物品,从血压袖带到手术工具,越来越多地集成电子设备,以提高准确性和患者护理。
触摸屏
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企业和超大规模电子

  • 支持所有这些设备并保持世界连接的骨干网。
  • 数据处理、存储和云计算
  • 双向,用于高速提供和接收数据,具有极高的可靠性,可实现实时功能

其他行业受到全球电子化的影响,如制造工艺和设备,工业自动化,工业发电和转换,可再生能源和农业设备,因为它们变得更加自动化和数据智能化,以优化效率,降低能耗,最大化产量和增强可持续性。

随着这些行业正在打破界限,开发新设备,增加功能,实现更好的连接性,并提高客户的期望,这种扩散产生的串扰和电磁干扰的数量呈指数级增长。新一代集成电子设备必须能够应对增加的EMI风险,以保持可靠性和功能性。

什么是Emi&为什么这是一个问题?

电磁干扰(EMI),有时称为射频干扰(RFI),是由电源或磁源引起的电信号中的干扰(永久或瞬态)。这些源包括辐射电磁场、不同的电压以及来自外部源或设备的电流。设备对这些效应高度敏感,因为它们处理电信号并消耗功率来运行。EMI干扰可能会降低电路性能,增加错误率和数据丢失,导致性能中断或整个设备故障。

EMI源的范围包括其他电子设备,发射器,电机,电源和环境因素,如闪电或太阳。随着越来越多的集成电子设备成为标准,设计非常接近,并在相同的环境中运行,除非设计适当的解决方案来防止或控制它们,否则每个设备都可能导致其他设备遇到EMI问题增加。

完全消除EMI在实际应用中是不切实际的,因为没有信号可以来自或传出设备。因此,从一开始就考虑到EMI的终端设备至关重要。由于在设计过程中几乎不可能对EMI挑战的每个可能来源和行为进行建模,因此在测试过程中准备好熟练地进行故障排除以解决出现的不可预见的EMI挑战同样重要。

表征电磁干扰

EMI可以分为两种类型,涵盖几个不同的类别:

  • 按干扰持续时间
    • 连续或脉冲“噪声”
  • 按带宽
    • 窄,通常来自有意传输,如移动设备,或宽,通常是无意的,如电力线
  • 自然发生与人造

传导

电流效应。传导噪声通过连接的电线或电流(例如通过电源线或接地线的电线)耦合在多个组件之间。常见的阻抗耦合原因是来自两个或多个电路的电流流过同一元件或电路。大多数传导耦合通过交流电源线进行。

也可以有两种传导模式:

  • 常见:噪声出现在两根导线上的同一相位,例如信号的输出和返回
  • 差分:两根导线上的噪声异相

所需的过滤技术将取决于所经历的耦合类型。共模将一起滤波,而差分可以一起滤波,也可以单独滤波。

辐射

电磁效应和最容易确定的。当源和受害者相隔很远(通常超过波长)时,通常会发生这种情况。电场和磁场耦合在近场条件下分别诊断。在远场条件下,耦合被视为平面波。

感应

电场效应或磁场效应。

电感(或电容)耦合

  • 由导体中的电流引起的磁场耦合。当源和受害者之间存在不同的磁场时,通常发生这种情况 - 通常当两个导体靠近在一起(相距小于λ)时。这会在受害电路中感应出电流,从而将信号从源传输到受害人。耦合机构可以通过变压器建模。

电容耦合

  • 由导体之间的电压差引起的电场耦合。来自电源的变化电压将电荷传输到受害电路。耦合机制可以通过电容器进行建模。

在设计应用和选择EMI材料来解决这些问题时,考虑这些特性和模型至关重要。虽然EMI存在于所有电子设备中,但当您完全了解和定义源时,它可以大大降低。

降低电磁干扰的应用设计

正确的设计和材料可优化电磁兼容性 (EMC) 合规性,而不会影响其他设计要求,如尺寸、成本和美观性。理想和适当的解决方案也会受到在设计或测试期间识别干扰性能挑战的影响。在设计应用时,您应该采取许多标准的第一步,以便从一开始就将EMI降至最低。

电路设计与分区

构建您的设计以规避潜在的 EMI 风险。采取措施避免导致不需要的电流场(称为天线效应)的电路设计环路,并设计电容器和变压器组件以最大限度地减少耦合问题。

电磁兼容滤波器

在电路板电路中的特定位置设计一个滤波器,以屏蔽噪声并减少可能通过互连进入或离开的不需要的信号。干扰信号的频率通常高于通常沿导线或线路传输的信号的频率。通过放置“低通”滤波器,只允许低频信号通过,并且这些高频干扰信号被阻挡。

过滤器有多种格式。它们可以是放置在导线周围的简单铁氧体,也可以是具有不同组件的多层解决方案。筛选器可分为两种键类型。一种类型吸收不需要的能量,另一种类型排斥它并将其反射回来。吸收是最常见的首选,但在某些情况下可能需要后者。

接地

通过在器件和大地之间提供低电阻路径或公共参考低阻抗平面来旁路 EMI 信号,构建您的设计以规避潜在的 EMI 风险。

在开发接地解决方案时,重要的是要考虑接地的非理想属性,而不是将其视为理想或零阻抗。“接地”是一个相对术语,指的是用于公共回流的导体,接地只是一种情况。例如,电动汽车中的接地在框架上的点之间可以有几伏的差异,而飞机在结构内可能具有10V-100V的差异。

屏蔽外壳

一个基本理论是,当频率低于200MHz时,接地是一个可行的解决方案,但是,当频率高于200MHz时,它会产生辐射,最佳解决方案成为屏蔽外壳或导电泡沫来管理频率和随后的辐射。屏蔽外壳是初始器件设计的常见组件。用于屏蔽频率和辐射的导电泡沫解决方案或导电泡沫垫片和屏蔽外壳的组合也是一种常见的解决方案。

屏蔽线和电缆

当器件“插入”电源或供电电压并发生不平衡电流时,最好在电缆上设计铁氧体磁芯或柔性铁氧体带状包裹,以屏蔽辐射“噪声”。

电磁兼容性 (EMC) 合规性测试

EMC是电气或电子设备和系统在其预期的操作环境中运行的能力,而不会出现由无意EMI引起的中断或降级等问题。重要的是,设备可以在近距离运行,而不会干扰彼此的性能和稳定性,因为在共享环境中工作的电子设备越来越多。

在任何给定环境中,增加器件都会产生更多的EMI“噪声”因素,使测量和规划变得越来越困难。通常,最好在隔离条件或屏蔽室中测量和测试EMC性能,以确保在进行基本测量时不会受到外部源的任何意外“噪声”影响。

在测试成品时,三米和十米测试是认证产品符合特定EMC要求的最常用方法。测试设施根据ANSI C63.4、EN50147第2部分(发射)和EN61000-4-3(抗扰度)中规定的各种国际标准,提供辐射发射和辐射抗扰度要求的认证。

对于RF模块或半成品组件,可以在最终产品组装测试之前使用“噪声”扫描仪或频谱分析仪来测量“噪声”。在完成产品设计和进行EMC一致性测试之前,最好在组件级别检测“噪声”,识别“噪声”的来源,并调整设计以纠正干扰。

修复测试中或初始设计后发现的 Emi 问题

在设计阶段后发现EMI问题时,仍然有一些方法可以在不进行重大设计更改的情况下解决EMI挑战。使用专门的工程材料添加旨在控制或消除特定EMI问题的高效定制组件通常是一种经济实惠且及时的解决方案。第一步是确定干扰的确切原因,并设计解决方案,以通过精心挑选的吸收,接地,屏蔽或其他高度专业化的材料来缓解问题,以消除“噪音”。

在调查新发现的EMI问题时,需要采取三个基本步骤:

屏蔽检查

将影响数据传输的外部(抗扰度)或内部辐射(发射)源隔离“噪声”,并避免屏蔽材料安装不良造成的辐射泄漏。合适的屏蔽材料包括导电泡沫、导电垫、金属外壳、金属箔、金属化布,甚至导电胶或环氧树脂。理想的解决方案将取决于可用的尺寸,性能要求和其他设计规格。

接地检查

这是识别EMI“噪声”的最简单和最常见的诊断工具。避免产生“偏置”电压,该电压可以通过插入导电元件作为互连来优化接地,从而充当信号发射器。该组分可以是导电泡沫,粘合剂,聚合物或织物泡沫。再次,请记住“地面”属性,不要假设理想的属性。

吸收器层压

如果一旦研究或引入接地和/或屏蔽解决方案,EMI“噪声”仍然存在,则吸收器材料是下一个要评估的解决方案。要选择合适的吸收材料,了解导致“噪声”的频率范围至关重要。常见的材料是磁性或电“噪声”抑制片或两者的组合。

屏蔽检查
接地检查
吸收器层压

有助于确定最佳“修复”的关键性能特征是

60dB=1000倍降低,70dB=3160倍降低,68dB=10000倍降低,60dB屏蔽将降低1mV,70dB屏蔽将降低0.3mV,80dB屏蔽将降低0.1mV

较低的表面电阻(欧姆/平方)/较低的接触电阻(欧姆/英寸)

该模型基于MIL-DTL-83258C(MIL-STL202.307)或等效标准,用于测量表面和接触电阻。请注意,表面电阻的单位是欧姆/平方,这与接触面积大小无关,接触面积大小也不与性能相关 - 具有较大占地面积的产品不会具有更高的性能。接触电阻是Z轴电阻的量度。这一关键测量结果显示接地性能(以欧姆/英寸²为单位)。

接触面积会影响电导率性能。具有较大接触面积的相同材料将提供更好的接地性能。如果需要更高的性能,但没有更大的接触面积,则可能需要更高的导电性材料来实现改进的接地性能。

更好的屏蔽能力 (dB)

屏蔽外壳通常是提供抗扰度或防止内部发射的首选方法。材料屏蔽效果根据ASTM D4935进行测量。

解释屏蔽有效性数据 - 数据中的最低点提供最少的保护:

为EMI噪声吸收选择合适的频率范围吸收器(磁导率u',u“)

EMI吸收器广泛用于各种应用,以消除可能干扰系统运行的杂散或不需要的辐射。吸收器可以在外部使用,以减少来自特定物体的反射或透射到特定物体,并且可以在内部使用以减少由腔体共振(封闭空间)引起的振荡。

吸收剂通常由材料基质内的填充材料组成。填充材料由一个或多个吸收辐射“噪声”的组分组成。要选择合适的吸收体,必须在导致EMI性能问题的特定频率水平下测试磁导率。请参阅下表,与性能要求相关的材料是正确的材料。

在确定问题频率范围后,选择具有较低u“(磁损耗)的较高u'磁导率(例如,GSM工作频率为600 - 800MHz,Wi-Fi工作频率为2.4GHz)。如果空间可用,较厚的吸收器具有更好的吸收能力。

各种EMI吸收体的磁导率比较

为您的EMI材料需求选择合适的合作伙伴

随着EMI风险的不断增长以及设备和EMI源的指数级增长,您必须与工程材料和转换合作伙伴合作,以提供从设计,原型设计和测试到简化,可扩展的批量生产的全方位服务。经验丰富的材料合作伙伴将充分了解并拥有为您的应用和行业开发设计前后阶段EMI解决方案的经验,并对您的设备需要执行的潜在环境有深入的工作知识。

90多年来,Boyd Corporation一直专注于材料设计,加工和制造,继续处于先进,高性能材料创新的最前沿。Boyd数十年的经验和专业知识已扩展到全球,全球制造遍布三大洲,提供区域化支持和原型设计以及内部测试,设计和材料专业知识。

Boyd 提供广泛的 EMI/RFI 解决方案组合,例如:

  • 外壳采用织物泡沫可压缩屏蔽垫圈、导电泡沫垫片、铍铜指套选件以及开口和门周围设计的接地材料。
  • 导电织物包裹的输入/输出垫片和过滤器,设计用于入口和出口端口。
  • 柔性铁氧体吸收器战略性地缠绕在电缆和电线上。
  • 以及许多其他用于屏蔽、接地、吸收和绝缘的 EMI 材料和解决方案。

Boyd还提供涵盖大多数主要行业需求的工程材料解决方案以及热管理解决方案,系统和服务,为EMI / RFI以外的需求提供强大和支持性的供应链。如果您不确定解决当前和未来EMI挑战的后续步骤,请在此过程中随时咨询Boyd工程师或材料专家。

有疑问?我们随时可以提供帮助!