Interferência eletromagnética (emi) - tipos, padrões e técnicas de blindagem

A certificação é geralmente uma das etapas mais caras e tediosas durante o desenvolvimento de um novo produto de hardware. Ajuda as autoridades a saber que o produto cumpre todas as leis e orientações estabelecidas sobre as funções. Dessa forma, o desempenho daquele produto específico pode ser garantido para evitar perigos e danos aos usuários. Por mais tedioso que esse estágio seja, é importante que as empresas de produtos planejem isso com antecedência para evitar complexidades de última hora. Para o artigo de hoje, examinaremos o Padrão de Design EMIque é uma prática muito comum que os designers devem manter em mente para desenvolver produtos de qualidade. Analisaremos a EMI em detalhes e examinaremos seus tipos, natureza, especificações e padrões, mecanismos de acoplamento e blindagem e as melhores práticas para passar nos testes de EMI.

Padrões EMI - Como tudo começou?

O padrão EMI (Interferência Eletromagnética) foi originalmente criado para proteger os circuitos eletrônicos de interferências eletromagnéticas que podem impedir que funcionem da maneira que foram originalmente projetados. Essas interferências podem, às vezes, fazer com que o dispositivo funcione completamente mal e se tornar perigoso para os usuários. Tornou-se uma preocupação pela primeira vez na década de 1950 e era de interesse principalmente para os militares devido a alguns acidentes notáveis decorrentes de falhas de navegação devido à interferência eletromagnética em sistemas de navegação e emissões de radar que levaram ao lançamento inadvertido de armas. Como tal, os militares queriam garantir que os sistemas fossem compatíveis entre si e que as operações de um não afetassem o outro, pois isso poderia levar à morte de suas aeronaves.

Além das aplicações militares, os avanços recentes em soluções relacionadas à medicina e saúde, como marca-passos e outros tipos de CIEDs, também contribuíram para a necessidade de regulamentações EMI, pois a interferência em dispositivos como esse pode levar a situações de risco de vida.

Esses, entre outros cenários, são os que levam ao estabelecimento do padrão de interferência EMI e ao grande número de órgãos reguladores de EMC que foram estabelecidos.

O que é interferência eletromagnética (EMI)?

Interferência eletromagnética pode ser definida como energia eletromagnética indesejada que perturba o funcionamento adequado de um dispositivo eletrônico. Todos os dispositivos eletrônicos geram alguma quantidade de radiação eletromagnética, uma vez que a eletricidade que flui por seus circuitos e fios nunca é totalmente contida. Esta energia do dispositivo "A", propagada pelo ar como radiação eletromagnética, ou acoplada (ou conduzida ao longo) de E / S ou cabos de outro dispositivo "B", pode interromper o equilíbrio operacional no dispositivo B, fazendo com que o dispositivo mau funcionamento às vezes de forma perigosa. Essa energia do dispositivo A que interfere nas operações do dispositivo B é chamada de interferência eletromagnética .

A interferência pode às vezes ser de uma fonte natural, como tempestades elétricas, mas na maioria das vezes é como resultado das ações de outro dispositivo nas proximidades. Embora todos os dispositivos eletrônicos gerem alguns EMIs, uma determinada classe de dispositivos, como telefones celulares, monitores de LED e motores especialmente, têm maior probabilidade de gerar interferência em comparação com outros. Visto que nenhum dispositivo pode operar em um ambiente isolado, é importante garantir que nossos dispositivos cumpram certos padrões para garantir que a interferência seja mantida ao mínimo. Esses padrões e regulamentos são conhecidos como o Padrão EMI e todo produto / dispositivo a ser usado / vendido em regiões / países onde esses padrões são legais, deve ser certificado antes de poder ser usado.

Tipos de interferência eletromagnética (EMI)

Antes de examinarmos o padrão e as regulamentações, provavelmente é importante examinar o tipo de EMI para entender melhor o tipo de imunidade que deve ser incorporada aos seus produtos. A interferência eletromagnética pode ser categorizada em tipos com base em vários fatores, incluindo;

Fonte de EMI
Duração do EMI
Largura de banda de EMI

Veremos cada uma dessas categorias uma após a outra.

1. Fonte de EMI

Uma maneira de categorizar EMIs em tipos é examinar a fonte da interferência e como ela foi criada. Nesta categoria, existem basicamente dois tipos de EMIs, EMI de ocorrência natural e EMI artificial. O EMI de ocorrência natural refere-se a interferências eletromagnéticas que ocorrem como resultado de fenômenos naturais como iluminação, tempestades elétricas e outras ocorrências semelhantes. Enquanto EMI sintética, por outro lado, refere-se a EMIs que ocorrem como resultado das atividades de outros dispositivos eletrônicos nas proximidades do dispositivo (receptor) que sofre a interferência. Exemplos desse tipo de EMIs incluem interferência de radiofrequência, EMI em equipamentos de som, entre outros.

2. Duração da Interferência

EMIs também são categorizados em tipos com base na duração da interferência, ou seja, o período de tempo durante o qual a interferência foi experimentada. Com base nisso, os EMIs são geralmente agrupados em dois tipos, EMI contínuo e EMI de impulso. O EMI contínuo refere-se aos EMIs que são continuamente emitidos por uma fonte. A fonte pode ser artificial ou natural, mas a interferência é experimentada continuamente, enquanto existir um mecanismo de acoplamento (condução ou radiação) entre a fonte EMI e o receptor. Impulse EMIsão EMIs que ocorrem intermitentemente ou em um período muito curto. Como as EMIs contínuas, a EMI de Impulse também pode ocorrer naturalmente ou ser produzida pelo homem. O exemplo inclui ruído de impulso experimentado por interruptores, iluminações e fontes semelhantes que podem emitir sinais que causam uma perturbação na tensão ou no equilíbrio de corrente de sistemas próximos conectados.

3. Largura de banda de EMI

EMIs também podem ser categorizados em tipos usando sua largura de banda. A largura de banda de um EMI refere-se à faixa de frequências em que o EMI é experimentado. Com base nisso, as EMIs podem ser categorizadas em EMI de banda estreita e EMI de banda larga. O EMI de banda estreita normalmente consiste em uma única frequência ou em uma banda estreita de frequências de interferência, possivelmente sendo geradas por uma forma de oscilador ou como resultado de sinais espúrios que ocorrem devido a diferentes tipos de distorção em um transmissor. Na maioria dos casos, eles geralmente têm um efeito mínimo nas comunicações ou no equipamento eletrônico e podem ser desativados facilmente. No entanto, eles permanecem uma fonte potente de interferência e devem ser mantidos dentro de limites aceitáveis. Os EMIs de banda largasão EMIs que não ocorrem em frequências simples / discretas. Eles ocupam uma grande parte do espectro magnético, existem em diferentes formas e podem surgir de diferentes fontes artificiais ou naturais. As causas típicas incluem arco voltaico e corona e representam a fonte de uma boa porcentagem de problemas de EMI em equipamentos de dados digitais. Um bom exemplo de uma situação de EMI que ocorre naturalmente é “Interrupção do Sol”, que ocorre como resultado da energia do sol interrompendo o sinal de um satélite de comunicação. Outros exemplos incluem; EMI como resultado de escovas defeituosas em motores / geradores, arco em sistemas de ignição, linhas de energia defeituosas e lâmpadas fluorescentes ruins.

Natureza da EMI

EMIs, conforme descrito anteriormente, são ondas eletromagnéticas que compreendem os componentes de campo E (elétrico) e H (magnético), oscilando em ângulos retos entre si, conforme mostrado abaixo. Cada um desses componentes responde de forma diferente a parâmetros como frequência, voltagem, distância e corrente, portanto, é fundamental entender a natureza da EMI, para saber qual deles é dominante antes que o problema possa ser claramente resolvido.

Por exemplo, para os componentes de campo elétrico, a atenuação EMI pode ser melhorada por meio de materiais com alta condutividade, mas reduzida por materiais com permeabilidade aumentada, o que, em contraste, melhora a atenuação para o componente de campo magnético. Como tal, o aumento da permeabilidade em um sistema com EMI dominado pelo campo E reduzirá a atenuação, mas a atenuação irá melhorar em um EMI dominado pelo campo H. No entanto, devido aos avanços recentes nas tecnologias usadas na criação de componentes eletrônicos, o campo E geralmente é o principal componente da interferência.

Mecanismos de acoplamento EMI

O mecanismo de acoplamento EMI descreve como os EMIs vão da fonte ao receptor (dispositivos afetados). Compreender a natureza do EMI e como ele está sendo acoplado da fonte ao receptor é a chave para resolver o problema. Alimentados por dois componentes (campo H e campo E), os EMIs são acoplados de uma fonte a um receptor por meio de quatro tipos principais de acoplamento EMI: condução, radiação, acoplamento capacitivo e acoplamento indutivo. Vamos dar uma olhada nos mecanismos de acoplamento um após o outro.

1. Condução

O acoplamento de condução ocorre quando as emissões de EMI são passadas ao longo de condutores (fios e cabos) que conectam a fonte de EMI e o receptor. EMI acoplado desta maneira é comum nas linhas de fonte de alimentação e geralmente pesado no componente de campo H. O acoplamento de condução em linhas de energia pode ser condução em modo comum (a interferência aparece em fase na linha + ve e -ve ou nas linhas tx e rx) ou condução em modo diferencial (a interferência aparece fora de fase em dois condutores). A solução mais popular para interferência por condução acoplada é o uso de filtros e blindagem sobre cabos.

2. Radiação

O Acoplamento de Radiação é a forma mais popular e comumente experimentada de Acoplamento EMI. Ao contrário da condução, não envolve nenhuma conexão física entre a fonte e o receptor, pois a interferência é emitida (irradiada) através do espaço para o receptor. Um bom exemplo de EMI irradiado é a queda de sol mencionada anteriormente.

3. Acoplamento capacitivo

Isso ocorre entre dois dispositivos conectados. O acoplamento capacitivo existe quando uma mudança de tensão na fonte transfere capacitivamente uma carga para a vítima

4. Acoplamento indutivo / magnético

Isso se refere ao tipo de EMI que ocorre como resultado de um condutor induzindo interferência em outro condutor próximo, com base nos princípios da indução eletromagnética.

Interferência e compatibilidade eletromagnética

O padrão EMI pode ser considerado uma parte do padrão regulatório denominado Compatibilidade Eletromagnética (EMC). Ele contém uma lista de padrões de desempenho que os dispositivos devem atender para mostrar que eles são capazes de coexistir com outros dispositivos e funcionar conforme projetado, sem também afetar o desempenho dos outros dispositivos. Como tal, os padrões EMI são essencialmente parte dos padrões gerais de EMC. Embora os nomes sejam geralmente usados de forma intercambiável, existe uma diferença clara entre eles, mas isso será abordado em um artigo de acompanhamento.

Diferentes países e continentes / zonas econômicas têm diferentes variações desses padrões, mas, para este artigo, consideraremos os padrões da Federal Communications Commission (FCC). De acordo com a Parte 15 do Título 47: Telecomunicações, dos Padrões da FCC, que regulamenta a frequência de rádio “não intencional”, existem duas classes de dispositivos; Classe A e B.

Os dispositivos Classe A são dispositivos destinados ao uso na indústria, escritórios e em qualquer outro lugar, exceto residências, enquanto os dispositivos CLass B são dispositivos destinados ao uso doméstico, apesar de seu uso em outros ambientes.

Em termos de emissões acopladas por condução, para dispositivos da Classe B destinados ao uso doméstico, espera-se que as emissões sejam limitadas aos valores mostrados na tabela abaixo. As informações a seguir são obtidas no site do Código Eletrônico de Regulamentação Federal.

Para dispositivos de Classe A, os limites são;

Para emissões irradiadas, espera-se que os dispositivos Classe A permaneçam dentro do limite abaixo para as frequências especificadas;

Frequência (MHz)	µV / m
30 a 88	100
88 a 216	150
216 a 960	200
960 e acima	500

Já para dispositivos da Classe B, os limites são;

Frequência (MHz)	µV / m
30 a 88	90
88 a 216	150
216 a 960	210
960 e acima	300

Mais informações sobre essas normas podem ser encontradas na página dos diferentes órgãos reguladores.

O cumprimento desses padrões EMC para dispositivos requer proteção EMI em quatro níveis: nível de componente individual, nível de placa / PCB, nível de sistema e nível de sistema geral. Para conseguir isso, duas medidas principais; Blindagem eletromagnética e aterramento são normalmente empregados, embora outras medidas importantes como filtragem também sejam empregadas. Devido à natureza fechada da maioria dos dispositivos eletrônicos, a blindagem EMI é geralmente aplicada em um nível de sistema para conter EMIs irradiados e conduzidos para garantir a conformidade com os Padrões EMC. Como tal, examinaremos considerações práticas em torno da blindagem como uma medida de proteção contra EMI.

Blindagem eletromagnética - Proteja seu projeto contra EMI

A blindagem é uma das principais medidas adotadas para reduzir a IEM em produtos eletrônicos. Envolve o uso de um invólucro / blindagem metálica para os componentes eletrônicos ou cabos. Em certos equipamentos / situações em que a blindagem de todo o produto pode ser muito cara ou impraticável, os componentes mais críticos que poderiam ser uma fonte / dissipador EMI são blindados. Isso é particularmente comum na maioria dos chips e módulos de comunicação pré-certificados.

A Proteção Física reduz a EMI atenuando (enfraquecendo) os sinais EMI por meio da reflexão e absorção de suas ondas. As blindagens metálicas são projetadas de forma que sejam capazes de refletir o componente do campo E, ao mesmo tempo que possuem uma alta permeabilidade magnética para absorver o componente do campo H do EMI. Em cabos, os fios de sinal são envolvidos por uma camada condutora externa que é aterrada em uma ou ambas as extremidades, enquanto para gabinetes um invólucro de metal condutor atua como uma blindagem de interferência.

O ideal é que o invólucro EMC perfeito seja feito de um material denso como o aço, totalmente vedado em todos os lados, sem cabos, para que nenhuma onda entre ou saia, mas várias considerações, como a necessidade de, baixo custo em gabinetes, gerenciamento de calor, cabos de manutenção, energia e dados, entre outros, tornam esses ideais impraticáveis. Com cada um dos buracos criados, por essas necessidades serem pontos de entrada / saída potenciais para EMIs, os projetistas são forçados a tomar várias medidas para garantir que o desempenho geral do dispositivo ainda esteja dentro das faixas permitidas do padrão EMC no final do dia.

Considerações práticas de blindagem

Conforme mencionado acima, várias considerações práticas são necessárias ao blindar com gabinetes ou cabos de blindagem. Para produtos com possibilidades críticas de EMI (Saúde, Aviação, Energia, Comunicação, Militar e assim por diante), é importante que as equipes de design de produto sejam compostas por indivíduos com experiência relevante em blindagem e situações gerais de EMI. Esta seção dará uma visão geral de algumas das dicas possíveis ou blindagem EMI.

1. Gabinete e design de gabinete

Conforme mencionado acima, é impossível projetar gabinetes sem certas aberturas para servir como grades de ventilação, orifícios para cabos, portas e para coisas como interruptores, entre outros. Estas aberturas em invólucros, independentemente do seu tamanho ou forma, através das quais uma onda EM pode entrar ou sair do invólucro, em termos de EMI, são designadas por ranhuras. Os slots devem ser projetados de tal forma que seu comprimento e orientação em relação à frequência RFI não os transformem em um guia de ondas, enquanto seu tamanho e disposição no caso de grades de ventilação devem manter um equilíbrio correto entre o fluxo de ar necessário para manter os requisitos térmicos do circuito e a capacidade de controlar EMI com base na atenuação de sinal necessária e a frequência RFI envolvida.

Em aplicações críticas, como equipamento militar, as ranhuras como portas, etc., são geralmente atadas com juntas especializadas chamadas de juntas EMI. Eles vêm em diferentes tipos, incluindo malha de arame tricotado e gaxetas espirais metálicas, mas vários fatores de design (geralmente custo / benefício) são considerados antes de fazer a escolha da gaxeta. No geral, o número de slots deve ser o mínimo possível e o tamanho deve ser o menor possível.

2. Cabos

Certos gabinetes podem ser obrigados a ter aberturas de cabo; isso também deve ser levado em consideração no design do gabinete. Dentro

Além disso, os cabos também servem como meio de EMIs conduzidos, como em equipamentos críticos, os cabos usam uma blindagem trançada que é então aterrada. Embora essa abordagem seja cara, é mais eficaz. No entanto, em situações de baixo custo, soluções prontas para uso, como contas de ferrite, são colocadas em locais específicos na borda dos cabos. No nível da placa PCB, os filtros também são implementados ao longo das linhas de alimentação de entrada.

Melhores práticas para passar nos testes EMI

Algumas das práticas de projeto EMI, especialmente no nível do conselho, para manter a EMI sob controle incluem;

Use módulos pré-certificados. Principalmente para comunicação, o uso de módulos já certificados reduz a quantidade de trabalho que a equipe precisa fazer na blindagem e reduz o custo de certificação do seu produto. Dica Profissional: Em vez de projetar uma nova fonte de alimentação para o seu projeto, projete o projeto para ser compatível com as fontes de alimentação existentes no mercado. Isso economiza custos na certificação da fonte de alimentação.
Mantenha os loops de corrente pequenos. A capacidade de um condutor de acoplar energia por indução e radiação é reduzida com um loop menor, que atua como uma antena
Para pares de traços de placa de circuito impresso de cobre (PC), use traços largos (baixa impedância) alinhados acima e abaixo uns dos outros.
Localize os filtros na fonte de interferência, basicamente o mais próximo possível do módulo de potência. Os valores dos componentes do filtro devem ser escolhidos com a faixa de frequência de atenuação desejada em mente. Por exemplo, os capacitores auto-ressoam em certas frequências, além das quais atuam indutivamente. Mantenha os cabos do capacitor de bypass o mais curtos possível.
Coloque os componentes no PCB levando em consideração a proximidade de fontes de ruído a circuitos potencialmente suscetíveis.
Posicione os capacitores de desacoplamento o mais próximo possível do conversor, especialmente os capacitores X e Y.
Use planos de terra quando possível para minimizar o acoplamento radiado, minimizar a área da seção transversal de nós sensíveis e minimizar a área da seção transversal de nós de alta corrente que podem irradiar, como aqueles de capacitores de modo comum
Dispositivos de montagem em superfície (SMD) são melhores do que dispositivos com chumbo para lidar com energia de RF devido às indutâncias reduzidas e aos posicionamentos mais próximos dos componentes disponíveis.

Em suma, é importante ter pessoas com essas experiências de design em sua equipe durante o processo de desenvolvimento, pois isso ajuda a economizar custos na certificação e também garante a estabilidade e confiabilidade de seu sistema e seu desempenho.