Progresul tehnologic, inclusiv extinderea implementării 5G și amploarea din ce în ce mai mare a Internetului Lucrurilor (IoT), conduce la o nevoie mai mare de ecranare împotriva interferențelor electromagnetice (EMI). Obținerea conformității cu compatibilitatea electromagnetică (EMC) și reducerea surselor EMI la începutul procesului de proiectare sunt esențiale pentru a elimina ineficiența, pentru a evita reproiectarea costisitoare și pentru a preveni întârzierile în lansarea produselor. Fiecare parte sau subsistem de proiectare – de la carcasă la modul și până la placa de circuit imprimat (PCB) – trebuie să includă o ecranare EMI.
Figura 1: Câmpurile magnetice și electrice ale unei unde electromagnetice. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent, parte a TE Connectivity)
Este disponibilă pentru ingineri o gamă largă de opțiuni de ecranare pentru fiecare etapă a procesului de proiectare în aproape toate aplicațiile, de la cele comerciale la infrastructura energetică, de la apărare la automobile. Acest articol își propune să ofere inginerilor o perspectivă asupra progreselor tehnologice care pun la încercare abordările actuale ale ecranării EMI și să ofere o prezentare generală a materialelor de pe piață.
Interferențele electromagnetice sunt omniprezente
Câmpurile electromagnetice caracterizează, practic, fiecare circuit. Câmpurile electrice oscilatorii și liniile de flux magnetic (figura 1) apar în jurul traseului conductor atunci când un curent alternativ circulă prin conductoare sau printr-un traseu de PCB. Ele se transformă în zgomot sau interferențe nedorite atunci când aceste câmpuri sunt induse sau transferate către un alt circuit sau conductor. Zgomotul nedorit, denumit în general EMI, poate interfera sau perturba funcționarea unui alt circuit.
O descărcare electrostatică (ESD) este o altă formă de EMI. ESD tinde să aibă o frecvență variabilă, în timp ce EMI se manifestă, de obicei, constant. Orice efect tranzitoriu de înaltă tensiune, de scurtă durată (dV/dt ridicat) poate provoca o funcționare neregulată sau deteriorarea permanentă a sistemelor electronice sensibile. Majoritatea sistemelor electronice generează EMI neintenționat, inclusiv ceasurile, comutația digitală de mare viteză, convertoarele DC/DC și interfețele wireless.
Figura 2: Imunitatea la emisiile EMI este esențială pentru obținerea conformității EMC. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Emisiile EMI ajung în alte circuite fie prin conducție, fie prin radiație. De exemplu, semnalele mici de ceas care traversează un traseu de PCB pot radia, de obicei peste 10 MHz, deoarece traseele devin antene eficiente. Principiul care stă la baza EMC este acela că un circuit sau un sistem este imun la EMI (figura 2).
Dinamica și tendințele pieței
Conectivitatea permanentă este aproape peste tot. Fie că ne aflăm acasă, în deplasare, la serviciu sau în mașină, societatea noastră nu a beneficiat niciodată de atât de multe avantaje ale unei infrastructuri de comunicații fiabile și rezistente. Apariția IoT și a omologului său, Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT), precum și creșterea comunicațiilor celulare au determinat nevoia și dependența noastră de comunicațiile wireless, care, din păcate, reprezintă un facilitator esențial și o sursă potențială de EMI. Implementarea infrastructurilor wireless 5G, care utilizează spectrul wireless de frecvență ultra înaltă, neutilizat anterior, extinde și mai mult posibilitatea apariției EMI. În consecință, asigurarea imunității produselor împotriva perturbațiilor electromagnetice nu a fost niciodată mai critică.
Standardele de compatibilitate electromagnetică
Tabelul 1: Standarde EMI și EMC populare, detaliate în funcție de industrie și aplicație. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Standardele naționale și regionale EMC, care se aliniază, de obicei, la standardele EMC recunoscute la nivel internațional (figura 3), oferă producătorilor specificații pe care produsele trebuie să le îndeplinească înainte de a fi comercializate. Standardele stipulează emisiile maxime permise de la dezvoltarea unui produs și imunitatea sau susceptibilitatea acestuia la emisiile radiate sau conduse. Atunci când inginerii proiectanți se angajează în realizarea unui nou proiect, se recomandă ca aceștia să ia în considerare posibilele interferențe electromagnetice și să încorporeze măsuri de contracarare EMC în timpul procesului de prototipare, mai degrabă decât ca o idee ulterioară. Este esențială înțelegerea standardelor EMI și EMC care se aplică, a surselor susceptibile de emisii și a funcțiilor de circuit care pot fi mai sensibile la zgomotul EMI.
Obținerea certificării EMC
Figura 3: Testarea pre-conformității unui dispozitiv supus testului la emisii EMI. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Deși o instalație de testare EMC acreditată poate efectua doar certificarea EMC, există multe lucruri pe care echipa de ingineri le poate investiga înainte de a preda produsul laboratorului de testare. Măsurătorile de bază ale emisiilor radiate și conduse cu ajutorul unui analizor de spectru sau al unui receptor EMI echipat cu sonde de câmp H și E adecvate vor indica dacă sunt necesare teste suplimentare sau contramăsuri EMI. Aceste echipamente de testare sunt costisitoare pentru o mică echipă de proiectanți de produse, dar companiile specializate în închirierea de echipamente de testare și măsurare EMI oferă o alternativă rentabilă. Efectuarea testelor de pre-conformitate este puternic recomandată, deoarece permite echipei de proiectare să localizeze sursele potențiale de zgomot și să implementeze metode de reducere a interferențelor electromagnetice, cum ar fi ecranarea, planurile de masă și decuplarea. Expunerea unui produs la emisiile EMI este, de asemenea, importantă – vedeți figura 3.
Niveluri de ecranare EMI
Reducerea EMI și imunizarea funcțiilor circuitului la EMI necesită o abordare sistematică pe parcursul procesului de proiectare a produsului. Aceasta include aspecte legate de proiectarea PCB, încorporarea planurilor de masă și separarea dispozitivelor zgomotoase, din punct de vedere EMI, de lanțurile de semnale analogice sensibile. Ecranarea componentelor, a părților funcționale și a modulelor oferă o abordare practică pentru multe aplicații, bazată pe o metodă pe trei niveluri, axată pe carcasă, modul și PCB (figura 4).
Figura 4: Abordarea pe trei niveluri privind implementarea ecranării EMI. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Ecranarea emisiilor radiate funcționează prin crearea unei cuști Faraday în jurul sursei EMI. Implementarea ecranării la nivelul unei incinte reduce orice sursă potențială de zgomot care iese sau intră. Cu toate acestea, unele funcții ale circuitului pot necesita niveluri suplimentare de protecție pentru a preveni ca perturbațiile electromagnetice interne să afecteze alte funcții ale circuitului. Ecranarea la nivel modular este de mare ajutor și este utilizată cu regularitate în jurul dispozitivelor wireless, al convertoarelor cu comutație DC/DC și al panourilor LCD. Ar putea fi nevoie să se asigure ecranarea la nivelul plăcii pentru componentele sensibile, cum ar fi un circuit integrat de convertor analog-digital. Ecranarea se aplică, de asemenea, oricărei forme de interconectare, astfel încât nu trebuie neglijată prevenirea scăpării emisiilor radiate prin presetupele de cablu, fișe și prize.
Materiale de ecranare EMI
Printre exemplele de materiale de ecranare EMI se numără garniturile din sârmă tricotată, elastomerii electroconductori, țesăturile conductoare și alte elemente metalice. Fiecare tip prezintă caracteristici de atenuare EMI ușor diferite și se potrivește unor cazuri de utilizare specifice. Figura 5 ilustrează performanța în ceea ce privește atenuarea a acestor patru tipuri de ecranare în funcție de frecvență.
Figura 5: Caracteristicile privind atenuarea EMI ale celor patru metode populare de ecranare EMI reprezentate în funcție de frecvență. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Plasă de sârmă tricotată: Utilizarea mai multor straturi de sârmă împletită peste un miez de burete sau de tub folosind diferite materiale de plasă oferă o soluție EMI eficientă și compatibilitate galvanică. Abordarea acestei metode permite confecționarea în funcție de forme complexe și îmbinarea cu materiale de suport pentru a crea o protecție la pătrundere. Ecranarea cu ochiuri de plasă se potrivește diferitelor cazuri de utilizare, inclusiv ușilor de cabinet, capacelor și plăcilor de protecție detașabile. Performanța ecranării tinde să se reducă peste 1GHz, cu excepția cazului în care sunt încorporate straturi suplimentare. Printre exemple se numără gama Kemtron de garnituri din sârmă tricotată de la TE Connectivity (figura 6), disponibile în diverse formate.
Figura 6: Garniturile Kemtron din plasă de sârmă tricotată de la TE Connectivity sunt disponibile în diverse forme și dimensiuni. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Elastomeri conductori de electricitate: Disponibili în diverse materiale și forme, gama Kemtron Ltd (acum parte a TE Connectivity) (Figura 7) oferă o atenuare mai bună de 100dB până la 10GHz. Materialele de umplutură includ aluminiu placat cu argint și grafit placat cu nichel, iar opțiunile de liant includ silicon sau fluorosilicon. Formele preferate includ foi, garnituri O-ring și plate. Garniturile O-ring “Jam nut“ sunt proiectate special pentru protecția EMI RF și sunt disponibile pentru cele mai populare tipuri de conectori.
Figura 7: Elastomerii conductori de electricitate de la Kemtron / TE Connectivity oferă o atenuare de până la 100dB la 10GHz. (Sursa: Kemtron Ltd, în prezent parte a TE Connectivity)
Gurile de aerisire în formă de fagure de miere: Pentru aplicațiile în care răcirea forțată a aerului folosește un ventilator, deschiderea ventilatorului oferă o cale directă pentru ca zgomotul să iasă dintr-o incintă, altfel protejată împotriva EMI. Pentru a preveni acest lucru, utilizarea unei guri de aerisire în formă de fagure de miere, cum ar fi gama Kemtron/TE Connectivity, oferă performanțe EMI îmbunătățite, permițând în același timp un flux de aer adecvat prin construcția sa stratificată, cu celule în formă de fagure de miere din folie de aluminiu într-un singur strat. Gurile de aerisire sunt disponibile în toate dimensiunile populare de ventilatoare, de la 40 mm la 120 mm.
Obținerea conformității EMC prin utilizarea elementelor de ecranare EMI
Interferențele electromagnetice cauzate de emisiile nedorite de zgomot din echipamente perturbă funcționarea fiabilă a sistemului. Respectarea compatibilității electromagnetice este o cerință de conformitate și o necesitate pentru a evita comportamentul imprevizibil al sistemului. Acest scurt articol a evidențiat câteva metode de ecranare pe care inginerii le pot implementa pentru a îmbunătăți imunitatea EMI.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
