Interférences électromagnétiques (emi) - types, normes et techniques de blindage

La certification est généralement l'une des étapes les plus coûteuses et les plus fastidieuses du développement d'un nouveau produit matériel. Il aide les autorités à savoir que le produit adhère à toutes les lois et directives établies autour des fonctions. De cette façon, les performances de ce produit particulier peuvent être assurées pour éviter les dangers et les dommages à ses utilisateurs. Aussi fastidieuse que soit cette étape, il est important que les fabricants de produits planifient cela à l'avance pour éviter les complexités de dernière minute. Pour l'article d'aujourd'hui, nous examinerons la norme de conception EMIC'est une pratique très courante que les designers doivent garder à l'esprit pour développer des produits de qualité. Nous examinerons les EMI en détail et examinerons ses types, la nature, les spécifications et les normes, les mécanismes de couplage et de blindage, et les meilleures pratiques pour passer les tests EMI.

Normes EMI - Comment tout a commencé?

La norme EMI (Electromagnetic Interference) a été créée à l'origine pour protéger les circuits électroniques des interférences électromagnétiques qui pourraient les empêcher de fonctionner comme ils ont été conçus à l'origine. Ces interférences peuvent même parfois provoquer un dysfonctionnement complet de l'appareil et devenir dangereux pour les utilisateurs. Il est devenu une préoccupation pour la première fois dans les années 1950 et intéressait principalement l'armée en raison de quelques accidents notables dus à des échecs de navigation dus à des interférences électromagnétiques dans les systèmes de navigation et à des émissions radar conduisant à la libération accidentelle d'armes. En tant que tels, les militaires voulaient s'assurer que les systèmes étaient compatibles les uns avec les autres et que les opérations de l'un n'affectaient pas l'autre, car cela pourrait entraîner des décès dans leur engin.

Outre les applications militaires, les progrès récents des solutions liées à la médecine et à la santé, telles que les stimulateurs cardiaques et d'autres types de CIED, ont également contribué à la nécessité de réglementations EMI, car les interférences dans des dispositifs comme celui-ci pourraient entraîner des situations potentiellement mortelles.

Ces scénarios, parmi d'autres, ont conduit à l'établissement de la norme d'interférence EMI et avec le grand nombre d'organismes de réglementation CEM qui ont été établis.

Qu'est-ce que les interférences électromagnétiques (EMI)?

Les interférences électromagnétiques peuvent être définies comme une énergie électromagnétique indésirable qui perturbe le bon fonctionnement d'un appareil électronique. Tous les appareils électroniques génèrent une certaine quantité de rayonnement électromagnétique puisque l'électricité circulant à travers ses circuits et ses fils n'est jamais entièrement contenue. Cette énergie de l'appareil «A», soit propagée dans l'air sous forme de rayonnement électromagnétique, soit couplée dans (ou conduite le long) des E / S ou des câbles d'un autre appareil «B», pourrait perturber l'équilibre opérationnel de l'appareil B, provoquant le fait que l'appareil dysfonctionnement parfois de manière dangereuse. Cette énergie du dispositif A interférant avec le fonctionnement du dispositif B est appelée interférence électromagnétique .

L'interférence peut même parfois provenir d'une source naturelle comme les orages électriques, mais le plus souvent, elle est généralement le résultat des actions d'un autre appareil à proximité. Alors que tous les appareils électroniques génèrent des EMI, une certaine classe d'appareils comme les téléphones mobiles, les écrans LED et les moteurs en particulier, sont plus susceptibles de générer des interférences que d'autres. Étant donné qu'aucun appareil ne peut fonctionner dans un environnement isolé, il est important de s'assurer que nos appareils respectent certaines normes pour garantir que les interférences sont réduites au strict minimum. Ces normes et réglementations sont connues sous le nom de norme EMI et chaque produit / appareil devant être utilisé / vendu dans les régions / pays où ces normes sont légitimes, doit être certifié avant de pouvoir être utilisé.

Types d'interférences électromagnétiques (EMI)

Avant d'examiner la norme et la réglementation, il est probablement important d'examiner le type d'EMI pour mieux comprendre le type d'immunité qui devrait être intégré à vos produits. Les interférences électromagnétiques peuvent être classées en types en fonction de plusieurs facteurs, notamment;

Source d'EMI
Durée de l'EMI
Bande passante de EMI

Nous examinerons chacune de ces catégories l'une après l'autre.

1. Source de l'EMI

Une façon de catégoriser les EMI en types consiste à examiner la source de l'interférence et la manière dont elle a été créée. Dans cette catégorie, il existe essentiellement deux types d'EMI, les EMI naturellement présentes et les EMI artificielles. Les EMI se produisant naturellement se réfèrent aux interférences électromagnétiques qui se produisent à la suite de phénomènes naturels tels que l'éclairage, les orages électriques et d'autres événements similaires. Alors que les EMI artificielles, d'autre part, se réfèrent aux EMI qui se produisent à la suite des activités d'autres appareils électroniques à proximité de l'appareil (récepteur) subissant les interférences. Des exemples de ces types d'EMI comprennent, entre autres, les interférences de radiofréquence, les EMI dans les équipements sonores.

2. Durée de l'interférence

Les EMI sont également classés en types en fonction de la durée de l'interférence, c'est-à-dire de la période de temps pendant laquelle l'interférence a été subie. Sur cette base, les EMI sont généralement regroupées en deux types, EMI continue et EMI impulsionnelle. Les EMI continues se réfèrent aux EMI qui sont continuellement émises par une source. La source peut être artificielle ou naturelle, mais l'interférence est ressentie en continu, tant qu'il existe un mécanisme de couplage (conduction ou rayonnement) entre la source EMI et le récepteur. Impulsion EMIsont des EMI qui se produisent par intermittence ou sur une très courte durée. Comme les EMI continus, les EMI impulsionnelles peuvent également être naturelles ou artificielles. L'exemple comprend le bruit impulsionnel causé par les interrupteurs, les éclairages et les sources similaires qui pourraient émettre des signaux qui perturbent l'équilibre de tension ou de courant des systèmes voisins connectés.

3. Bande passante de EMI

Les EMI peuvent également être classés en types en utilisant leur bande passante. La bande passante d'un EMI fait référence à la gamme de fréquences sur laquelle l'EMI est expérimenté. Sur cette base, les EMI peuvent être classées en EMI à bande étroite et EMI à large bande. L' EMI à bande étroite consiste généralement en une fréquence unique ou en une bande étroite de fréquences d'interférence, pouvant être générées par une forme d'oscillateur ou en raison de signaux parasites se produisant en raison de différents types de distorsion dans un émetteur. Dans la plupart des cas, ils ont généralement un effet mineur sur les communications ou les équipements électroniques et peuvent être réglés facilement. Cependant, ils restent une source puissante de brouillage et doivent être maintenus dans des limites acceptables. Les EMI à large bandesont des EMI qui ne se produisent pas sur des fréquences simples / discrètes. Ils occupent une grande partie du spectre magnétique, existent sous différentes formes et peuvent provenir de différentes sources artificielles ou naturelles. Les causes typiques incluent les arcs électriques et l'effet corona et cela représente la source d'un bon pourcentage de problèmes EMI dans les équipements de données numériques. Un bon exemple d'une situation EMI naturelle est «Sun Outage», qui se produit en raison de l'énergie du soleil perturbant le signal d'un satellite de communication. D'autres exemples incluent; EMI résultant de balais défectueux dans les moteurs / générateurs, des arcs électriques dans les systèmes d'allumage, des lignes électriques défectueuses et des lampes fluorescentes défectueuses.

Nature de l'EMI

Les EMI telles que décrites précédemment sont des ondes électromagnétiques qui comprennent à la fois les composants de champ E (électrique) et H (magnétique), oscillant à angle droit les uns par rapport aux autres, comme indiqué ci-dessous. Chacun de ces composants réagit différemment à des paramètres tels que la fréquence, la tension, la distance et le courant, il est donc essentiel de comprendre la nature de l'EMI, de savoir lequel d'entre eux est dominant avant que le problème puisse être clairement résolu.

Par exemple, pour les composants de champ électrique, l'atténuation EMI peut être améliorée via des matériaux à haute conductivité, mais réduite par des matériaux à perméabilité accrue, ce qui améliore en revanche l'atténuation pour la composante de champ magnétique. En tant que telle, une perméabilité accrue dans un système avec une EMI dominée par le champ E réduira l'atténuation, mais l'atténuation s'améliorera dans une EMI dominée par le champ H. Cependant, en raison des progrès récents des technologies utilisées dans la création de composants électroniques, le champ E est généralement la principale composante de l'interférence.

Mécanismes de couplage EMI

Le mécanisme de couplage EMI décrit comment les EMI passent de la source au récepteur (appareils concernés). Comprendre la nature de l'EMI ainsi que la façon dont il est couplé de la source au récepteur est essentiel pour résoudre le problème. Alimentés par les deux composants (champ H et champ E), les EMI sont couplés d'une source à un récepteur via quatre types principaux de couplage EMI: conduction, rayonnement, couplage capacitif et couplage inductif. Jetons un coup d'œil aux mécanismes de couplage l'un après l'autre.

1. Conduction

Le couplage de conduction se produit lorsque les émissions EMI sont transmises le long de conducteurs (fils et câbles) reliant ensemble la source de l'EMI et le récepteur. Les EMI couplés de cette manière sont courants sur les lignes d'alimentation et généralement lourds sur le composant de champ H. Le couplage de conduction sur les lignes électriques peut être soit une conduction en mode commun (l'interférence apparaît en phase sur la ligne + ve et -ve ou les lignes tx et rx) soit une conduction en mode différentiel (l'interférence semble déphasée sur deux conducteurs). La solution la plus populaire aux interférences couplées par conduction est l'utilisation de filtres et de blindages sur les câbles.

2. Rayonnement

Le couplage de rayonnement est la forme de couplage EMI la plus populaire et la plus couramment expérimentée. Contrairement à la conduction, il n'implique aucune connexion physique entre la source et le récepteur car les interférences sont émises (rayonnées) via l'espace vers le récepteur. Un bon exemple d'EMI rayonnée est la panne de soleil mentionnée précédemment.

3. Couplage capacitif

Cela se produit entre deux appareils connectés. Le couplage capacitif existe lorsqu'une tension changeante dans la source transfère de manière capacitive une charge à la victime

4. Couplage inductif / magnétique

Cela fait référence au type d'interférence électromagnétique qui se produit à la suite d'un conducteur induisant des interférences dans un autre conducteur proche, basé sur les principes de l'induction électromagnétique.

Interférences électromagnétiques et compatibilité

La norme EMI peut être considérée comme faisant partie de la norme réglementaire appelée Compatibilité électromagnétique (CEM). Il contient une liste des normes de performance que les appareils doivent respecter pour montrer qu'ils peuvent coexister avec d'autres appareils et fonctionner comme prévu sans affecter également les performances des autres appareils. En tant que telles, les normes EMI font essentiellement partie des normes CEM générales. Bien que les noms soient généralement utilisés de manière interchangeable, une différence claire existe entre eux, mais cela sera couvert dans un article de suivi.

Différents pays et continents / zones économiques ont différentes variantes de ces normes, mais pour cet article, nous examinerons les normes de la Federal Communications Commission (FCC). Selon la partie 15 du titre 47: Télécommunications, des normes FCC, qui régit les fréquences radio «non intentionnelles», il existe deux classes d'appareils; Classe A et B.

Les appareils de classe A sont des appareils destinés à être utilisés dans l'industrie, les bureaux, partout ailleurs sauf à la maison, tandis que les appareils de classe B sont des appareils destinés à un usage domestique, nonobstant leur utilisation dans d'autres environnements.

En termes d'émissions couplées par conduction, pour les appareils de classe B destinés à être utilisés à domicile, les émissions devraient être limitées aux valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous. Les informations suivantes sont obtenues à partir du site Web du Code électronique de réglementation fédérale.

Pour les appareils de classe A, les limites sont:

Pour les émissions rayonnées, il est prévu que les dispositifs de classe A restent dans la limite ci-dessous pour les fréquences spécifiées;

Fréquence (MHz)	µV / m
30 à 88	100
88 à 216	150
216 à 960	200
960 et plus	500

Alors que pour les appareils de classe B, les limites sont;

Fréquence (MHz)	µV / m
30 à 88	90
88 à 216	150
216 à 960	210
960 et plus	300

Plus d'informations sur ces normes peuvent être trouvées sur la page des différents organismes de réglementation.

Le respect de ces normes CEM pour les appareils nécessite une protection EMI à quatre niveaux: le niveau du composant individuel, le niveau de la carte / PCB, le niveau du système et le niveau du système global. Pour y parvenir, deux mesures majeures; Le blindage électromagnétique et la mise à la terre sont généralement utilisés, bien que d'autres mesures importantes comme le filtrage soient également utilisées. En raison de la nature fermée de la plupart des appareils électroniques, le blindage EMI est généralement appliqué au niveau du système pour contenir les EMI rayonnées et conduites afin d'assurer la conformité aux normes CEM. En tant que tel, nous examinerons des considérations pratiques autour du blindage en tant que mesure de protection EMI.

Blindage électromagnétique - Protégez votre conception des EMI

Le blindage est l'une des principales mesures adoptées pour réduire les EMI dans les produits électroniques. Cela implique l'utilisation d'un boîtier / blindage métallique pour l'électronique ou les câbles. Dans certains équipements / situations où le blindage de l'ensemble du produit peut être trop coûteux ou peu pratique, les composants les plus critiques qui pourraient être une source / puits EMI sont blindés. Ceci est particulièrement courant dans la plupart des modules et puces de communication pré-certifiés.

Le blindage physique réduit les EMI en atténuant (affaiblissant) les signaux EMI par la réflexion et l'absorption de ses ondes. Les blindages métalliques sont conçus de manière à pouvoir réfléchir la composante de champ E tout en possédant une perméabilité magnétique élevée lui permettant d'absorber la composante de champ H de l'EMI. Dans les câbles, les fils de signal sont entourés d'une couche conductrice externe qui est mise à la terre à une ou aux deux extrémités, tandis que pour les boîtiers, un boîtier métallique conducteur agit comme un écran d'interférence.

Idéalement, le boîtier CEM parfait serait un boîtier fabriqué à partir d'un matériau dense comme l'acier, entièrement scellé de tous les côtés, sans câble afin qu'aucune vague ne se déplace à l'intérieur ou à l'extérieur, mais plusieurs considérations, telles que la nécessité, le faible coût des boîtiers, la gestion de la chaleur, les câbles de maintenance, d'alimentation et de données, entre autres, rendent ces idéaux impraticables. Avec chacun des trous créés, ces besoins étant des points d'entrée / sortie potentiels pour les EMI, les concepteurs sont obligés de prendre plusieurs mesures pour s'assurer que les performances globales de l'appareil sont toujours dans les plages admissibles de la norme CEM en fin de compte..

Considérations pratiques sur le blindage

Comme mentionné ci-dessus, plusieurs considérations pratiques sont nécessaires lors du blindage avec des boîtiers ou des câbles de blindage. Pour les produits avec des possibilités EMI critiques (santé, aviation, alimentation, communication, militaire, etc.), il est important que les équipes de conception de produits comprennent des personnes ayant l'expérience pertinente sur le blindage et les situations EMI générales. Cette section donne un aperçu général de certains des conseils possibles ou du blindage EMI.

1. Conception de l'armoire et du boîtier

Comme mentionné ci-dessus, il est impossible de concevoir des boîtiers sans certaines ouvertures pour servir de grilles de ventilation, de trous de câbles, de portes et pour des éléments tels que des interrupteurs, entre autres. Ces ouvertures sur les enceintes, indépendamment de leur taille ou de leur forme, à travers lesquelles une onde EM peut entrer ou sortir de l'enceinte, en termes EMI, sont appelées fentes. Les fentes doivent être conçues de manière à ce que leur longueur et leur orientation par rapport à la fréquence RFI ne les transforment pas en guide d'ondes, tandis que leur taille et leur disposition dans le cas des grilles de ventilation doivent maintenir un bon équilibre entre le flux d'air requis pour maintenir les exigences thermiques. des circuits et la capacité de contrôler les EMI en fonction de l'atténuation du signal requise et de la fréquence RFI impliquée.

Dans les applications critiques comme les équipements militaires, les fentes comme les portes, etc. sont généralement dotées de joints spécialisés appelés joints EMI. Ils sont de différents types, y compris le treillis métallique tricoté et les joints en spirale métalliques, mais plusieurs facteurs de conception (généralement coûts / avantages) sont pris en compte avant de choisir le joint. Dans l'ensemble, le nombre d'emplacements doit être aussi petit que possible et la taille doit être aussi petite que possible.

2. Câbles

Certains boîtiers peuvent nécessiter des ouvertures de câble; cela doit également être pris en compte dans la conception du boîtier. Dans

En plus de cela, les câbles servent également de moyens d'EMI conduites en tant que telles dans les équipements critiques, les câbles utilisent un blindage tressé qui sont ensuite mis à la terre. Bien que cette approche soit coûteuse, elle est plus efficace. Cependant, dans les situations à faible coût, des solutions standard telles que des billes de ferrite sont placées à des endroits spécifiques au bord des câbles. Au niveau de la carte PCB, des filtres sont également mis en œuvre le long des lignes d'alimentation d'entrée.

Meilleures pratiques pour réussir les tests EMI

Certaines des pratiques de conception EMI, en particulier au niveau de la carte, pour garder EMI sous contrôle comprennent:

Utilisez des modules pré-certifiés. En particulier pour la communication, l'utilisation de modules déjà certifiés réduit la quantité de travail que l'équipe doit effectuer en matière de blindage et réduit le coût de la certification de votre produit. Conseil de pro: au lieu de concevoir un nouveau bloc d'alimentation pour votre projet, concevez le projet pour qu'il soit compatible avec les blocs d'alimentation existants sur étagère. Cela vous permet d'économiser des frais de certification de l'alimentation électrique.
Gardez les boucles de courant petites. La capacité d'un conducteur à coupler l'énergie par induction et rayonnement est réduite avec une boucle plus petite, qui agit comme une antenne
Pour les paires de traces de carte de circuit imprimé en cuivre (PC), utilisez des traces larges (basse impédance) alignées au-dessus et en dessous les unes des autres.
Localisez les filtres à la source des interférences, essentiellement aussi près que possible du module d'alimentation. Les valeurs des composants du filtre doivent être choisies en gardant à l'esprit la plage de fréquences d'atténuation souhaitée. À titre d'exemple, les condensateurs résonnent automatiquement à certaines fréquences, au-delà desquelles ils agissent inductifs. Gardez les fils du condensateur de dérivation aussi courts que possible.
Placez les composants sur le PCB en tenant compte de la proximité des sources de bruit avec les circuits potentiellement sensibles.
Positionnez les condensateurs de découplage le plus près possible du convertisseur, en particulier les condensateurs X et Y.
Utilisez des plans de masse lorsque cela est possible pour minimiser le couplage rayonné, minimiser la section transversale des nœuds sensibles et minimiser la section transversale des nœuds à courant élevé qui peuvent rayonner tels que ceux des condensateurs en mode commun
Les dispositifs à montage en surface (SMD) sont meilleurs que les dispositifs plombés pour gérer l'énergie RF en raison des inductances réduites et des placements de composants plus proches disponibles.

Dans l'ensemble, il est important d'avoir des personnes possédant ces expériences de conception dans votre équipe pendant le processus de développement, car cela permet de réduire les coûts de certification et assure également la stabilité et la fiabilité de votre système et ses performances.