Электронные помехи и шумы находятся повсюду. Как разработчик, вы должны иметь под рукой все инструменты, с помощью которых вы можете защитить свою разработку от этих шумов. Эта статья посвящена экранированию от электромагнитных помех, инструментам, которые могут широко использоваться для улучшения электромагнитных характеристик вашего устройства и защиты его от внешних помех.
Согласно уравнениям Максвелла, каждый раз, когда через проводник циркулирует электрический ток, создается магнитное поле. Кроме того, когда существует магнитное поле, возникает и электрическое поле. Из-за излучаемого аспекта этих электрических и магнитных полей они широко известны как электромагнитные излучения.
Эти излучения могут вызвать проблемы в цепях или всей печатной плате. В идеальной схеме вы найдете только сигналы, ток и напряжения, создаваемые самой схемой. В реальном мире будет шум. Из-за природы электромагнитных сигналов невозможно избежать присутствия шума, но можно значительно уменьшить его влияние. Очень важно, чтобы устройство не влияло на другие устройства при работе, так же как важно, чтобы на устройство не влияли другие устройства.
Электромагнитная восприимчивость – это способность цепи или системы продолжать работать, даже если на нее влияют помехи. Эта восприимчивость будет определяться уровнем применяемого шума. В зависимости от применения – автомобильного, медицинского, военного и т. д. – возможны различные уровни восприимчивости. Каждая цепь, устройство или система должны быть должным образом спроектированы так, чтобы излучать как можно меньше с точки зрения излучения и быть восприимчивыми только к высокому уровню электромагнитных полей.
Сертификация на электромагнитную совместимость (ЭМС) является необходимым шагом для любого продукта, поступающего на рынок. Каждый продукт должен быть подвергнут испытанию на электромагнитную совместимость, чтобы убедиться, что он не будет влиять на любое другое оборудование (например, испытание на выбросы), и что его работа будет нормальной даже при наличии других систем в окружающей зоне (т. е. тест на восприимчивость). На следующем изображении показано как проводится испытания на ЭМС в безэховой камере Hermon Laboratories.
Электронные конструкции обычно устанавливаются внутри корпусов. Металлические корпуса хороши для ограничения электромагнитных полей, но они не идеальны. Соединение между печатной платой и корпусом представляет собой отверстия или пазы, и электромагнитные поля могут проходить через них. ЭМИ-экранирование может закрывать эти отверстия.
Кроме того, во многих конструкциях существует общая проблема: сертификация на ЭМС учитывается только на самых последних этапах цикла проектирования. На этом этапе электромеханические конструкции утверждены, и тогда у инженера по ЭМС почти нет места для изменения продукта для решения проблем с электромагнитными помехами. Из-за этого часто необходимо иметь набор инструментов для решения проблем излучения без модификации печатной платы. В этих ситуациях экранирование от электромагнитных помех играет ключевую роль.
Глобальная тенденция в электронике – быть маленьким и быстрым. Печатные платы имеют все более быстрые цифровые схемы с очень коротким временем нарастания. Чем короче время нарастания, тем больше ширина полосы и, следовательно, меньше длина волны. Проблемы возникают, когда присутствующие в цепях длины волн сравнимы с физическими размерами печатной платы. Если эти длины волн достаточно малы, они могут выходить наружу и создавать помехи для другого оборудования. Эти отверстия могут быть закрыты с помощью средств экранирования от электромагнитных помех, то есть магнитного материала, который помогает закрыть эти маленькие отверстия и улучшить эффект клетки Фарадея в механическом корпусе.
Существует множество ЭМИ-экранов, все они из разных материалов и форм. Однако все они имеют одну общую цель: ограничить электромагнитные поля. Экранирующие элементы действуют как барьер, который блокирует электромагнитные излучения. Этот процесс блокировки в действительности представляет собой значительное затухание, которое зависит от частоты электромагнитной волны и материала экранирующего элемента.
Когда электромагнитная волна воздействует на экранирующий материал, генерируются две новые волны: отраженная и прошедшая волна. Поэтому энергия падающей волны делится на эти две волны. Прошедший компонент является релевантным, поскольку он выходит наружу, пересекая экранирующий материал. Эффективность экранирования будет определять его способность ослаблять этот компонент.
Глубина затухания – это расстояние, которое волна может пройти до того, как ее амплитуда уменьшится в 1/e раз. Это фактор, зависящий от магнитной проницаемости, частоты и удельного сопротивления материала. Это может быть аппроксимировано следующим выражением:
Здесь σ – электропроводность, μ – магнитная проницаемость, f – частота. Цель использования экранирующего материала – максимально уменьшить амплитуду волн после того, как они пройдут через него. Поэтому очень важно выбрать тип материала, а также его толщину t, чтобы убедиться, что все частоты системы ослаблены. Насколько хорошо экранирующий материал функционирует для определенной задачи определяется эффективностью экранирования (SE), выраженной следующим образом:
Здесь первый член соответствует потере отражения, а второй член – потере поглощения.
Тип защиты от электромагнитных помех, который вы выберете, будет во многом зависеть от типа продукта, электромагнитных требований и условий окружающей среды. Наиболее распространенные типы экранирования от электромагнитных помех:
- Экранирующие прокладки
- Экранирующая лента
- Металлические зажимы
- Экранирующий корпус
Экранирующие прокладки используются для покрытия присутствующих микроотверстий из-за неровностей между двумя механическими поверхностями. Они также могут служить для улучшения заземления. Они имеют клейкую часть и множество профилей, поэтому их можно легко устанавливать в различные типы механических соединений.
Если вы хотите быть уверенными, что все микроотверстия закрыты, но для таких вариантов, как прокладки, места для вертикального монтажа не так много, экранирующие ленты весьма удобны. Эти ленты имеют высокопроводящий материал наверху, такой как никель или медь, и клей с другой стороны.
Короткое, широкое и прямое соединение с землей всегда необходимо в любом устройстве. Если эта связь не сделана хорошо, образуется нежелательный монополь, тогда он будет излучать электромагнитные поля. Металлические зажимы улучшают это соединение и усиливают механическое соединение.
Такие компоненты, как микропроцессоры, микросхемы памяти и радиочастотные каскады, являются хорошими источниками помех. Вы можете выбрать для них индивидуальное экранирование, разместив над ними экранирующий корпус на уровне печатной платы.
Все схемы испускают электромагнитное излучение и подвержены излучению других устройств. Получение сертификатов, необходимых для вывода вашего продукта на рынок, может быть болезненным процессом тестирования. ЭМИ-экранирование во всех его формах и типах имеет основополагающее значение для борьбы с электромагнитными помехами.
© digitrode.ru