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EMI理论以及一些常见的EMI对策

EMI合规性的历史

      1938年美国EMC(电磁兼容性)一致性测试历史上发生了一个关键时刻:FCC(联邦通信委员会)对发射器发射实施了第一套限制。

      1892年观察到电力线可能会对电报电缆的性能产生负面影响。正是这种观察带来了德意志帝国1892年的电报法。随着这一发展,对于有效的监管和精确的EMC测试设备的需求已经诞生。

      随着技术的发展以满足我们在智能电网,智能汽车和智能手机等领域的需求和需求,还必须有先进的相应EMC测试设备,以确保这些智能设备从EMI角度安全使用。

      根据米歇尔·马尔迪基安(Michel Mardiguian)在他的“ 计算机和基于微处理器的设备中的干扰控制”(第v页)一书中所说,“等待它是否通过”确实是一种方法。他指出,“应对这种现象[EMI]通常被认为是高度专业化的个人领域,因此在初始设计阶段不予考虑;相反,等待结果测试数据”以确定是否通过“ “。

      如果您作为电子设计师或工程师,没有解决EMI(电磁干扰)问题或者没有计划来纠正EMC测试失败,那么您就处于危险的境地。尝试对PCB进行创可贴以使其通过EMI测试可能成本高昂,可能既耗时又可能兼顾,或者可能根本不起作用。根据我作为一名执业电气工程师的个人经验,许多工程师 - 以及更多的管理人员 - 根本不了解从设计一开始就解决EMI问题的重要性。

      对他们来说,太容易说“让我们以后再担心”。这种反应总让我想起古老的格言:如果你第一次没有时间做正确的话,你什么时候有时间再做一次。提供增加EMI对策(例如,专用于连接金属屏蔽盒的焊盘,或提供足够的电缆长度以添加铁氧体磁珠,或为EMI垫片材料的安装提供足够的区域)可以节省您的时间。

      根据我的经验,有两种选择可供选择:如果您在最终设计中不使用EMI对策,那么很好 - 您可以减少零件数量和相关成本。但如果你确实需要它们,

小EMI理论
      许多工程师和经理将EMI和EMC相关的问题和理论称为“黑魔法”,但它根本不是魔术,当然,它可能很复杂,可能需要一些数学技能,但如果你理解这些概念和/或让合适的人(专家)解决问题,你应该没问题。

      受害者概念的来源在EMI领域被广泛接受,当存在EMI问题时,总会有噪声源和受害者发生故障或问题,另外,为了使噪声源产生干扰,在源和受害者之间必须存在耦合路径。

因此,EMI可以在以下一个或多个方面减少:
1.来源:通过去耦,屏蔽或简单地减少噪声设计,可以在此级别降低干扰。
2.耦合路径:如果耦合路径是辐射,则通过间隔和/或屏蔽可以减少干扰,或者 如果耦合路径是导电的,则通过使用滤波器可以减小干扰。
3.受害者:通过局部去耦,隔离或屏蔽,或通过重新设计电路/器件,使元件不易受EMI影响,可以减少干扰。

可以以dB(分贝)为单位测量降噪。为了评估使用过滤器或屏蔽的降噪量,我们使用以下表达式:
dB = 20 log10(V OUT / V IN)

例如,将电压衰减10倍(伏特/伏特的比率 - 无量纲数)的屏蔽装置可以说屏蔽装置提供20dB的屏蔽效果。关于分贝值作为比率,参见下面的表1 。
表1.分贝作为比率
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以dB值表示的衰减效果可分为以下几类:
0到10 dB =衰减不良。降低传导噪声(或降低EMI场的屏蔽)的滤波器几乎不会为此付出代价。效果可能很明显,但不能依赖它来消除EMI问题。
10至30 dB =实现有意义衰减的最小范围。在温和的情况下,EMI问题将被消除。
30至60 dB =可以解决平均EMI问题的范围。
超过60 dB =获得高于平均值衰减的范围 - 需要特别关注屏蔽和/或滤波器安装(表面处理,衬垫和粘接)的质量和质量。保留用于在极端环境中必须以100%可靠性运行或接近100%可靠性的设备。
 

常见的EMI对策
金属屏蔽盒
这种盒子模仿法拉第小笼子。他们的目的是尽可能地包住所有电噪声元件。
请参阅我的拆解星期二的图6和图9  :Leeo Wi-Fi一氧化碳和烟雾警报器,用于屏蔽盒的两个示例。
 
互连
扁平带状电缆:将数字信号与接地连接分开是理想的,尽管并不总是可行的。见下面的图2。
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双绞线:

      差分信号相互扭绞,或者单端信号用返回线绞合。对于差分信号,这种方法对接收到的共模噪声非常有效,因为差分接收器将抵消这种噪声。由于在两根导线中以相反方向传播的电流将产生彼此平衡的场,因此产生的EMI也减小。

屏蔽双绞线:

      在理想化差分信号的情况下,屏蔽是不必要的,但在现实生活中,两条线之间的耦合并不完美,接收机的共模抑制不是无限的。因此,对周围的屏蔽进一步降低了产生和接收EMI的影响。
通常,非屏蔽电缆用作接收或辐射EMI的天线。通常连接到接地节点的导电屏蔽有助于在EMI对电路产生负面影响之前反射和吸收EMI。
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图3.屏蔽双绞线
 

      铁氧体磁珠(也称为铁氧体磁芯,或扼流圈),铁氧体磁珠抑制高频电信号。当连接到电缆时,它们有助于减轻接收EMI的影响并减少产生的EMI量。铁氧体磁珠套件(见图4)可用于EMI测试和故障排除,无论是现场故障排除还是EMC一致性测试实验室的测试。
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图4.铁氧体磁珠套件。

最后的盒子设计
理想情况下,最终的外壳应该像法拉第笼一样; 也就是说,它应该提供连续的导电外壳。然而,这通常是不切实际的,因为外壳需要间隙或访问端口用于通风,维护,布线和用户界面组件,例如按钮和开关。

因此,在设计最终外壳时,应考虑以下项目:

保持开口数量和尺寸最小化。见下面的图5和6。

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图5.不必要的大型访问端口。
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图6.更好的设计

用导电网盖住通风口。电网的细度取决于所涉及的EMI频率,较高的频率需要较小的开口。
EMI垫片材料用于密封门,铰接侧面或面板中的间隙。见下面的图7和8。
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图7. EMI垫片材料
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图8.定制的EMI垫圈

综上所述
      EMI / EMC不是“黑魔法”,虽然它可能相当复杂,尤其是在高频系统中,如果您是一名设计工程师并且不了解EMI,请确保您团队中的某位成员。

      如果没有人这样做,请考虑在设计的最初阶段聘请EMI顾问,最重要的是,不要忽视EMI并“等待它是否通过”EMC测试 - 这个决定可能会非常昂贵和/或耗费时间。

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