Что такое электромагнитная совместимость?
Электромагнитная совместимость (ЭМС) — это способность электрического устройства нормально функционировать в своей среде без влияния электромагнитных помех от других устройств, в том числе использующих технологию сверхширокополосной связи (UWB). Таким образом, ЭМС включает в себя два стандарта испытаний: электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитная восприимчивость (EMS). Продолжайте читать, чтобы узнать больше об ЭМС и о том, как предотвратить ее негативное влияние на вашу электронику.
Стандарты сертификации EMC
Стандарты электромагнитной совместимости важны для производителей, которые имеют дело с ЭМС. Существует множество различных стандартов ЭМС и множество различных отраслей, в которых необходимо проводить испытания на ЭМС.
Международная организация
- IEC: Международная электротехническая комиссия, включает в себя 3 подразделения:
CISPR: Международный специальный комитет по радиопомехам
TC77: Технический комитет по электромагнитной совместимости электрооборудования (включая электросети)
TC65: Промышленные измерения и контроль процессов
- ISO: Международная организация по стандартизации;
- IEEE;
- ETSI: Европейский комитет по стандартам электросвязи;
- CCIR: Международный консультативный комитет по радиосвязи;
- ITU;
FCC: Федеральная комиссия по связи;
VDE: Немецкая ассоциация инженеров-электриков;
VCCI: Японская гражданская интерференция;
BS: Британский стандарт;
ABSI: Американский национальный стандарт;
GOSTR: Российский государственный стандарт;
GB, GB/T: Китайский национальный стандарт.
Как проверить электромагнитную совместимость?
Существует много способов проверки электромагнитной совместимости (ЭМС). Один из распространенных методов — использование камеры ЭМС. Это специально оборудованное помещение, которое блокирует внешние электромагнитные поля, так что единственными присутствующими полями являются поля, генерируемые тестируемым устройством. Измерив реакцию устройства на различные типы электромагнитных полей, можно определить, совместимо ли оно с этими полями. Другие методы проверки ЭМС включают использование безэховых камер и клеток Фарадея.
1. Выберите лабораторию по испытаниям на электромагнитную совместимость
Экранированные помещения, открытые площадки, безэховые камеры, реверберационные камеры, TEM и GTEM являются наиболее распространенными местами для проведения испытаний на электромагнитную совместимость. Среди них безэховые камеры являются наиболее распространенными местами для проведения испытаний. Безэховая камера используется для экранирования электромагнитных волн, отличных от испытуемого оборудования, от помех другим электромагнитным волнам. Ее принцип заключается в поглощении электромагнитных волн с помощью ферритовых поглощающих материалов для устранения электромагнитных помех в окружающей среде.
безэховые камеры
Известные на сегодняшний день типы безэховых камер можно разделить на камеры для испытаний диаграмм направленности антенн, камеры для испытаний радиолокационной заметности, камеры для испытаний электромагнитной совместимости (ЭМС) и камеры для испытаний средств радиоэлектронной борьбы (противодействия) в зависимости от их назначения. Наиболее распространенными являются полные безэховые камеры и полубезэховые камеры. Размер и выбор радиочастотных поглощающих материалов в основном определяются размером камеры и испытательными требованиями к испытуемому оборудованию (EUT).
Принцип испытания
Безэховая камера заполнена конусообразными поглощающими материалами, а также имеет пирамидальное композитное поглощающее тело из губки, пропитанной поглощающим порошком. Его размер зависит от частоты поглощения, а его функция также заключается в поглощении ненужных электромагнитных волн и устранении отраженных сигналов. Он может обеспечить поглощение электромагнитных волн в диапазоне частот 30 МГц-40 ГГц и 10-20 дБ. Поглотитель электромагнитных волн, используемый в безэховой камере для экранирования электромагнитных волн, адаптирован к размеру безэховой камеры, а его толщина непрерывно уменьшается для эффективного использования пространства.
2. Выберите испытательное оборудование EMC.
В процессе испытаний на электромагнитную совместимость вспомогательное испытательное оборудование будет различаться в зависимости от отрасли промышленности, в которой используется испытуемое оборудование. Подробности приведены ниже:
Оборудование для испытаний на электромагнитные помехи (EMI): приемники EMI, аксессуары EMI, аксессуары для испытаний на проводимые электромагнитные помехи, антенны для испытаний на излучаемые электромагнитные помехи, анализаторы гармонических колебаний, зонды ближнего поля и т. д. Оборудование для
испытаний на электромагнитную совместимость (EMS): генератор сигналов EMS, вспомогательное оборудование EMS и т. д.
3. Процедура испытания
Для измерения ЭМС отдельного устройства или оборудования можно использовать множество различных показателей. Однако существует несколько показателей, которые наиболее часто используются для измерения ЭМС в электронике.
Показатели испытаний на электромагнитные помехи:
- Гармонический ток (от 2-й до 40-й гармоники);
- Мерцание;
- Проводимые помехи (CE);
- Излучаемые помехи (RE);
Показатели тестирования EMS:
- Устойчивость к электростатическому разряду (ESD);
- Устойчивость к излучаемому электромагнитному полю (80 МГц～1000 МГц) (RS);
- Устойчивость к быстрым электрическим переходным процессам/всплескам;
- Устойчивость к перенапряжению (удар молнии);
- Устойчивость к току впрыска (150 кГц～230 МГц) (CS);
- Устойчивость к падению напряжения и кратковременным перебоям.
3.1 Испытание на гармонические
Гармонические испытания в основном проверяют влияние гармоник в низковольтных сетях электропитания на это частотно-чувствительное оборудование.
Стандарт испытаний: EN61000-3-2
- а) Указать пределы гармонических токов, излучаемых в общественную сеть.
- b) Указать пределы содержания гармоник в входном токе, генерируемом испытуемым оборудованием в указанной среде.
- в) Применимо к электрическому и электронному оборудованию, подключенному к общественной низковольтной сети с входным током менее или равным 16 А.
Принцип эксперимента по гармоникам: из-за режима работы электронного оборудования, нелинейных компонентов и различных помех входной ток не является полной синусоидой и часто содержит богатые гармонические компоненты высокого порядка, что приводит к загрязнению электросети. Это явление называется гармоническим искажением.
3.2 Колебания напряжения и мерцание
Цель данного стандарта — обеспечить, чтобы продукт не вызывал чрезмерного мерцания (мигания света) в подключенном к нему осветительном оборудовании.
Стандарт испытаний: EN 61000-3-3
- а) Ограничения на воздействие постоянных колебаний напряжения и мерцания на общественную электросеть.
- б) Руководство по определению пределов и методов оценки колебаний напряжения, создаваемых испытуемым прототипом в определенных условиях.
- в) Подходит для электрического и электронного оборудования с напряжением от 220 В до 250 В и частотой 50 Гц, подключенного к общественной низковольтной сети с входным током не более 16 А на фазу.
На рисунке ниже показана допустимая минимальная скорость изменения или время изменения для каждого значения относительного изменения напряжения. Можно понять, что чем больше диапазон изменения напряжения, тем меньше допустимая скорость изменения или тем больше требуемое время изменения.
Ограничения:
- Значение Pst не должно превышать 1,0;
- Значение Pit не должно превышать 0,65;
- значение d(t) во время изменения напряжения не должно превышать 3,3 % в течение более 500 мс;
- относительное изменение напряжения в установившемся режиме, dc, не должно превышать 3,3%;
- максимальное относительное изменение напряжения dmax не должно превышать 4%.
3.3 Проводимые излучения CE (0,15–30 МГц)
Стандарт испытаний: EN61000-6-4
A) Электронное и электрическое измерительное и испытательное оборудование;
B) Электронное и электрическое контрольное оборудование;
C) Электрическое и электронное лабораторное оборудование;
Классификация оборудования
Класс A: (небытовое) оборудование, пригодные для использования во всех учреждениях, кроме бытовых, и в учреждениях, непосредственно подключенных к сети низковольтного электроснабжения, которая питает здания, используемые в бытовых целях.
Класс B: (бытовое) оборудование, пригодные для использования в бытовых учреждениях и в учреждениях, непосредственно подключенных к сети низковольтного электроснабжения, которая снабжает здания, используемые в бытовых целях.
принцип эксперимента:
Когда частота помех электронного оборудования составляет менее 30 МГц, они в основном создают помехи в диапазоне аудиочастот. Для длины волны этого типа электромагнитных волн кабель электронного оборудования меньше длины волны одной волны (длина волны 30 МГц составляет 10 м), а эффективность излучения в воздух очень низкая. Таким образом, если можно измерить напряжение помех, индуцированное на кабеле, можно измерить степень электромагнитных помех в этом частотном диапазоне, и этот тип помех является проводимыми помехами.
Сеть стабилизации импеданса линии (LISN) — это устройство, используемое для измерения электромагнитных помех (EMI), излучаемых электронными устройствами. Обычно оно используется в сочетании с осциллографом или анализатором спектра.
Влияние LISN:
1. Обеспечивает высокочастотную изоляцию между испытуемым устройством (EUT) и источником питания, чтобы предотвратить попадание шума от источника питания в EUT и влияние на результаты измерений.
2. Моделирует фактическое сопротивление источника питания и обеспечивает заданное сопротивление между клеммами питания EUT для унификации результатов измерений.
3. Поддерживает стабильное сопротивление в тестовом диапазоне на уровне 50 Ом для достижения согласования сопротивления входа с измерительным приемником/анализатором спектра.
3.4 Излучаемые помехи RE (30–1000 МГц)
Стандарт: EN61000-6-4
Классификация оборудования
Класс A: оборудование, пригодные для использования во всех учреждениях, кроме бытовых, и в учреждениях, непосредственно подключенных к сети низковольтного электроснабжения, которая питает здания, используемые в бытовых целях. небытовые
Класс B: оборудование, пригодные для использования в бытовых помещениях и в помещениях, непосредственно подключенных к сети низковольтного электроснабжения, которая питает здания, используемые в бытовых целях.
а) Электрическое и электронное измерительное и испытательное оборудование
b) Электронное и электрическое контрольное оборудование
в) Электрическое и электронное лабораторное оборудование
Принцип эксперимента по излучению:
Когда общая длина антенны превышает 1/20 длины волны сигнала λ, в пространстве возникает эффективное излучение. Когда длина антенны кратна λ/2, излучаемая энергия максимальна. Когда частота шума превышает 30 МГц, кабели, отверстия и зазоры электронного оборудования легко удовлетворяют вышеуказанным условиям, что приводит к излучению.
3.5 Электростатический разряд (ESD)
Цель электростатического разряда — проверить способность отдельного устройства или системы противостоять помехам, вызванным электростатическим разрядом.
Стандарт: IEC 61000-4-2 Критерии B
Принцип эксперимента: Эксперимент ESD заключается в имитации электростатического разряда, генерируемого человеческим телом и предметами при контакте с оборудованием, или разряда человеческого тела и предмета на соседние предметы, включая прямой обмен энергией, вызывающий повреждение устройства или ближнего поля (электрического и магнитного поля), вызванное разрядом. изменение), приводящее к неисправности устройства.
3.6 излучаемая восприимчивость (RS)
Цель измерения чувствительности к излучению — проверить способность отдельного устройства или системы противостоять внешним помехам электрического поля.
Стандарт: IEC 61000-4-3 Критерии A
Форма испытательного сигнала:
- Диапазон частот: 80 МГц–2,5 ГГц
- Модуляция: 80 % AM, синусоида 1 кГц
- Шаг частоты: 1 %
- Время выдержки: 3 с
3.7 Быстрая серия EFT
Цель эксперимента — исследовать способность отдельного устройства или системы противостоять быстрым переходным помехам. Эти переходные помехи вызваны переходными действиями, такими как прерывание индуктивных нагрузок, что приводит к появлению групп импульсов, высокой частоте повторения импульсов, короткому времени нарастания и энергии одиночного импульса. Низкий уровень приведет к сбою в работе устройства.
Стандарт: IEC 61000-4-4 Критерии B
3.8 Восстань
Цель эксперимента — проверить способность испытуемого устройства противостоять импульсным помехам. Эти переходные помехи вызываются коротким замыканием другого оборудования, переключением основной системы питания и непрямыми ударами молнии.
Стандарт: IEC 61000-4-5 Критерии B
3.9 Проводимые радиочастотные помехи (CS)
Цель эксперимента — проверить способность отдельного устройства или системы противостоять проводимым помехам.
Стандарт: IEC 61000-4-6 Критерии A
Принцип эксперимента: в основном исследуется устойчивость к постоянному напряжению помех 0,15 МГц-80 МГц, вводимому из внешнего мира через провод или кабель, например, сигналы от модулятора HDMI RF.
Форма испытательного сигнала:
- Диапазон частот: 0,15 МГц–80 МГц
- Модуляция: 80% AM, синусоида 1 кГц
- Шаг частоты: 1%
- Время удержания: 3 с
3.10 Падения напряжения
Цель эксперимента – исследовать способность испытуемого устройства противостоять падениям и провалам напряжения.
Стандарт: IEC 61000-4-11 Критерии B и C
Как улучшить электромагнитную совместимость?
1. Конструкция экранирования EMC
Эффективность вашей конструкции экранирования ЭМС зависит от типа выбранного материала, а также от способа его применения. Вы можете еще больше улучшить его характеристики, комбинируя различные типы материалов или выбирая определенную ориентацию для каждого конкретного слоя вашего экранирования.
1.1 Конструкция вентиляционного отверстия и проема
1.2 Конструкция защитного кожуха структурного стыкового соединения
1.3 Кабель проходит через экранирующий корпус
Если проводники выходят из экрана, эффективность экранирования значительно снижается. Такое проникновение обычно происходит, когда кабель выходит из экрана.
1.4 Принципы проектирования кабелей, выходящих из экранирующего корпуса
1.4.1 При использовании экранированных кабелей, когда экранированные кабели выходят из экранирующего корпуса, применяется конструкция с зажимной проволокой, чтобы обеспечить надежное заземление между экранирующим слоем кабеля и экранирующим корпусом и обеспечить достаточно низкое сопротивление контакта.
1.4.2 При использовании экранированных кабелей для передачи сигналов из экранирующего корпуса следует использовать экранированные разъемы и обеспечить надежное заземление экранирующих слоев кабелей через разъемы.
1.4.3 При использовании неэкранированного кабеля для передачи сигнала следует использовать разъем с фильтром. Благодаря высокочастотной характеристике фильтра обеспечивается достаточно низкий высокочастотный импеданс между кабелем и экраном.
1.4.4 При использовании неэкранированных кабелей кабели должны быть достаточно короткими внутри (или снаружи) экрана, чтобы предотвратить эффективное выделение помех, тем самым снижая влияние проникновения кабеля.
1.4.5 Линия питания выходит из экрана через фильтр питания. Благодаря высокочастотной характеристике фильтра обеспечивается достаточно низкий высокочастотный импеданс между линией питания и экраном.
1.4.6 Использование оптоволоконного розетки. Поскольку само оптоволокно не имеет металлического корпуса, проблема проникновения кабеля отсутствует.
1.5 Плохое заземление
1.6 Экранирующие материалы и области применения
Материалы, которые мы используем для экранирования, включают проводящую ткань, тростник, проводящую резину и специальные покрытия для печатных плат.
1.7 Отсекающая вентиляционная пластина волновода
2. Проектирование заземления EMC
2.1 Понятие и цель заземления
2.1.1 Первая — для обеспечения безопасности, называется защитным заземлением. Металлический корпус электронного оборудования должен быть подключен к земле, чтобы избежать возникновения чрезмерного напряжения на металлическом корпусе в результате аварий, которые могут поставить под угрозу безопасность операторов и оборудования.
2.1.2 Второй — обеспечить низкоимпедансный путь для возврата тока к источнику, то есть к рабочему заземлению.
2.1.3 Заземление для защиты от молнии, обеспечивающее разряд тока при ударе молнии.
2.2 Заземление обеспечивает возврат сигнала
2.3 Одноточечное заземление
Подходит для систем с рабочей частотой ниже 1 МГц.
2.4 Многоточечное заземление и смешанное заземление
3. Конструкция фильтра EMC Wave
3.1 Определение волнового фильтра
Волновой фильтр — это устройство, которое изменяет частотный состав сигнала, выборочно ослабляя определенные частоты и пропуская другие.
3.2 Тип волнового фильтра
К распространенным типам фильтров относятся: фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, полосовой фильтр и фильтр подавления полосы частот. Как показано на рисунке ниже:
Если фильтр пропускает низкие частоты и блокирует высокие, он называется фильтром низких частот. Если он блокирует низкие частоты и пропускает высокие, это фильтр высоких частот. Существуют также полосовые фильтры, которые пропускают только относительно узкий диапазон частот. И фильтр, блокирующий полосу частот, который блокирует только относительно узкий диапазон частот.
3.3 Компоненты волнового фильтра
3.3.1 Конденсатор (общий конденсатор, трехконтактный конденсатор);
3.3.2 Индуктивность (общая индуктивность, индуктивность синфазного режима, магнитные шайбы);
3.3.3 Сопротивление;
3.4 Конструкция дифференциального фильтра и фильтра синфазного режима
4. Проектирование печатных плат с учетом электромагнитной совместимости
4.1 Дизайн печатных плат
4.1.1 Расположение: аналогичные схемы располагаются в одном месте, принцип контроля минимального пути, высокоскоростные схемы не должны находиться близко к небольшой панели, а модуль питания должен находиться близко к положению одиночного диска.
4.1.2 Слои: слой высокоскоростной проводки должен быть близок к слою заземления, источник питания должен быть рядом с заземлением, слой заземления должен быть размещен под поверхностью компонента, два поверхностных слоя могут быть размещены близко к слою заземления, а внутренний слой должен быть отступлен на 20H по сравнению с поверхностным слоем.
4.1.3 Проводка: короткие трассы, оптимальная ширина трассы и широкое расстояние между различными типами трасс (за исключением сигналов и их обратных линий, дифференциальных линий и экранированных линий заземления), меньшее количество переходных отверстий, отсутствие петель, небольшая площадь петли, беспроводная головка.
4.1.4 Заземление: аналогичные цепи распределяются отдельно и подключаются в одной точке на плате.
4.1.5 Фильтрация: модуль питания, функциональная схема, схема волнового фильтра на уровне платы.
4.1.6 Проектирование интерфейсной схемы: проектирование интерфейсной схемы фильтра для обеспечения эффективной изоляции между внутренней и внешней частями.
4.2 Основные принципы компоновки
4.2.1 Ссылаясь на функциональную блок-схему принципа, основанную на потоке сигналов, она разделена на функциональные модули.
4.2.2 Раздельное расположение цифровых и аналоговых схем, высокоскоростных и низкоскоростных схем, источников помех и чувствительных схем.
4.2.3 Не размещайте чувствительные устройства или устройства с сильным излучением на сварной поверхности одной платы.
4.2.4 Площадь контура чувствительных сигналов и сильных излучающих сигналов должна быть минимальной.
4.2.5 Устройства с сильным излучением или чувствительные устройства, такие как кристаллы, кварцевые генераторы, реле, импульсные источники питания и т. д., должны размещаться вдали от ручек одноплатных плат, внешних интерфейсных разъемов и чувствительных устройств. Рекомендуемое расстояние составляет ≥1000 мил.
4.2.6 Чувствительные устройства: держите подальше от устройств с сильным излучением, рекомендуемое расстояние составляет ≥1000 мил.
4.2.7 Изолирующие устройства, устройства A/D: вход и выход отделены друг от друга, и нет пути соединения (например, соседние опорные плоскости), предпочтительно через соответствующую перегородку.
4.3 Специальная компоновка устройства
4.3.1 Силовая часть (расположена на входе питания).
4.3.2 Часть тактового генератора (вдали от отверстия, близко к нагрузке, внутренний слой проводки).
4.3.3 Индуктивная катушка (вдали от источника ЭМИ).
4.3.4 Часть драйвера шины (внутренний слой проводки, вдали от отверстия, близко к радиатору).
4.3.5 Компоненты фильтра (отдельный вход и выход, близко к источнику, короткие выводы).
4.4 Расположение фильтрующих конденсаторов
4.4.1 Все схемы интерфейса питания ветвей.
4.4.2 Вблизи компонентов с высоким энергопотреблением.
4.4.3 Области с большими изменениями тока, такие как входные и выходные клеммы силовых модулей, вентиляторы, реле и т. д.
4.4.4 Схема интерфейса питания печатной платы.
4.5 Расположение развязывающих конденсаторов
4.5.1 рядом с контактами питания.
4.5.2 Подходящее расположение и количество.
4.6 Основные принципы компоновки схемы интерфейса
Устройства, такие как фильтрация, защита и изоляция сигналов интерфейса, размещаются рядом с разъемом интерфейса, и они сначала защищаются, а затем фильтруются.
Изолирующие устройства, такие как интерфейсные трансформаторы и оптопары, полностью изолированы от первичной и вторичной цепей.
Перекрестное загрязнение сигнальной сети между трансформатором и разъемом отсутствует.
Область нижнего слоя, соответствующая трансформатору, должна быть расположена как можно дальше от других устройств.
Интерфейсный чип (сетевой порт, порт E1/T1, последовательный порт и т. д.) должен быть размещен как можно ближе к трансформатору или разъему.
4.7 Проводка
Короткие трассы, широкое расстояние между различными типами трасс (за исключением сигналов и их обратных линий, дифференциальных линий и экранированных линий заземления), меньшее количество переходных отверстий, отсутствие петель, небольшая площадь петель, беспроводная головка.
Для трасс с требованиями к задержке их длины соответствуют требованиям.
Нет прямых углов, для ключевых сигнальных линий предпочтительна фаска дуги.
Сигнальные трассы соседних слоев перпендикулярны друг другу, или параллельная проводка ключевых сигналов соседних слоев меньше или равна 1000MIL.
