电磁干扰（emi）–类型，标准和屏蔽技术

认证通常是新硬件产品开发过程中最昂贵，最乏味的阶段之一。它可以帮助当局了解该产品遵守有关功能的所有已制定法律和准则。这样，可以确保该特定产品的性能以防止危害和伤害其用户。尽管此阶段通常很乏味，但对于产品公司来说，在事先避免最后一刻的复杂性之前进行计划很重要。对于今天的文章，我们将研究EMI设计标准这是设计师必须牢记在心的开发高质量产品的一种非常普遍的做法。我们将详细研究EMI，并检查其类型，性质，规格和标准，耦合和屏蔽机制，以及通过EMI测试的最佳实践。

EMI标准–如何开始的？

在EMI（电磁干扰）标准最初是为了防止电磁干扰电子电路可以防止它们在执行他们最初被设计为的方式。这些干扰有时甚至会使设备完全故障，从而可能对用户造成危险。它首先在1950年代引起人们的关注，由于一些由于导航系统中的电磁干扰导致的导航故障以及雷达发射导致武器意外释放而引起的一些重大事故，军事上对此尤为关注。因此，军方希望确保系统彼此兼容，并且一个系统的操作不会影响另一系统，因为这可能会导致他们的飞行器死亡。

作为军事应用，最近在诸如起搏器和其他类型的CIED之类的与医学和健康相关的解决方案方面的进步也促进了对EMI法规的需求，因为对此类设备的干扰可能会导致生命危险。

这些都是导致EMI干扰标准建立的原因，也是导致大量EMC监管机构建立的原因。

什么是电磁干扰（EMI）？

电磁干扰可以定义为干扰电子设备正常运行的有害电磁能量。所有电子设备都会产生一定量的电磁辐射，因为流过其电路和电线的电流永远不会被完全遏制。来自设备“ A”的能量，要么作为电磁辐射通过空气传播，要么耦合到（或沿着）另一设备“ B”的I / O或电缆传导，可能会破坏设备B的运行平衡，导致设备有时会以危险的方式发生故障。来自设备A的干扰设备B操作的能量称为电磁干扰。

该干扰有时甚至可以来自诸如雷电之类的自然来源，但通常是由于另一设备非常靠近而造成的。尽管所有电子设备都产生一些EMI，但是与其他设备相比，某些类型的设备（例如手机，LED显示器和电机）更可能产生干扰。由于没有设备可以在隔离的环境中运行，因此重要的是要确保我们的设备符合某些标准，以确保将干扰保持在最低水平。这些标准和规定被称为EMI标准，在这些标准为法律的地区/国家中要使用/销售的每个产品/设备，都必须经过认证才能使用。

电磁干扰（EMI）的类型

在查看标准和法规之前，可能很重要的一点是检查EMI的类型，以更好地了解产品中应具有的抗干扰能力。电磁干扰可根据以下几个因素进行分类：

电磁干扰源
EMI持续时间
EMI带宽

我们将依次探讨这些类别。

1. EMI的来源

将EMI归类的一种方法是检查干扰源以及如何产生干扰。在此类别下，基本上有两种类型的EMI，自然发生的EMI和人为的EMI。在自然发生的EMI是指发生作为自然现象的结果就像照明，电动风暴，和其它类似情况的电磁干扰。虽然人造EMI在另一方面，是指发生在经历的干扰的装置（接收器）附近的其他电子设备的活动的结果EMIS。这些类型的EMI的示例包括射频干扰，声音设备中的EMI等。

2.干扰持续时间

EMI也根据干扰的持续时间（即受到干扰的时间段）分类。基于此，EMI通常分为连续EMI和脉冲EMI两类。的连续EMI指的是连续地通过一源发射EMIS。辐射源可以是人造的或自然的，但只要EMI辐射源与接收器之间存在耦合机制（传导或辐射），干扰就会不断受到干扰。脉冲EMI是间歇或在很短时间内发生的EMI。像连续EMI一样，脉冲EMI也可以是自然发生的或人为产生的。示例包括开关，照明和类似来源产生的脉冲噪声，这些脉冲噪声可能会发出信号，从而导致附近连接的系统的电压或电流平衡受到干扰。

3. EMI的带宽

EMI也可以使用其带宽进行分类。 EMI的带宽是指经历EMI的频率范围。基于此，EMI可以分为窄带EMI和宽带EMI。的窄带EMI 通常由单一频率或干扰频率的一个窄带，可能是由振荡器的形式或作为由于在发射器中不同种类的失真发生的寄生信号的结果而产生的。在大多数情况下，它们通常对通信或电子设备的影响很小，并且可以轻松排除。但是，它们仍然是潜在的干扰源，应保持在可接受的范围内。该宽带EMIS是不会在单个/离散频率上出现的EMI。它们占据了很大一部分磁场，以不同的形式存在，并且可能来自不同的人造或天然来源。典型原因包括电弧放电和电晕放电，它代表了数字数据设备中很大比例的EMI问题的根源。自然发生的EMI情况的一个很好的例子是“太阳中断”，这是由于太阳能量干扰通信卫星的信号而导致的。其他例子包括：电动机/发电机电刷故障，点火系统起弧，电源线故障和荧光灯不良导致的EMI。

EMI的性质

如前所述，EMI是由E（电）和H（磁）场分量组成的电磁波，它们彼此成直角振荡，如下所示。这些组件对频率，电压，距离和电流等参数的响应不同，因此，至关重要的是要了解EMI的本质，在清楚地解决问题之前，先了解其中的哪个占主导。

例如，对于电场分量，可以通过具有高电导率的材料来改善EMI衰减，但是可以通过具有较高磁导率的材料来减小EMI衰减，相反，这可以改善磁场分量的衰减。这样，在具有以电场为主的EMI的系统中，磁导率的增加将减小衰减，但在以磁场为主导的EMI中，衰减将得到改善。但是，由于在创建电子组件中使用的技术的最新进展，电场通常是干扰的主要组成部分。

EMI耦合机制

EMI耦合机制描述了EMI如何从源到接收器（受影响的设备）。了解EMI的性质以及如何将其从源耦合到接收器是解决该问题的关键。由两个组件（H场和E场）供电，EMI通过四种主要类型的EMI耦合从源极耦合到接收器，它们分别是传导，辐射，电容耦合和电感耦合。让我们一个接一个地看一下耦合机制。

1.传导

当EMI辐射沿着将EMI源和接收器连接在一起的导体（电线和电缆）通过时，就会发生传导耦合。以这种方式耦合的EMI在电源线上很常见，在H场组件上通常很重。电源线上的传导耦合可以是共模传导（在+ ve和-ve线上或tx和rx线上出现同相干扰）或差分模式传导（在两个电导上出现异相）。传导耦合干扰最流行的解决方案是使用滤波器和电缆屏蔽层。

2.辐射

辐射耦合是EMI耦合的最流行和最常用的形式。与传导不同，它不涉及源与接收器之间的任何物理连接，因为干扰是通过空间发射（辐射）到接收器的。辐射EMI的一个很好的例子是前面提到的太阳中断。

3.电容耦合

这发生在两个连接的设备之间。当源中不断变化的电压将电荷电容性地转移到受害者时，就会存在电容耦合

4.电感/磁耦合

这是指一种类型的EMI，它是由于导体根据电磁感应原理在另一导体附近感应干扰而产生的。

电磁干扰和兼容性

可以说EMI标准是称为电磁兼容性（EMC）的监管标准的一部分。它包含设备必须满足的性能标准列表，以表明它们能够与其他设备共存并按设计执行，而又不影响其他设备的性能。因此，EMI标准实质上是通用EMC标准的一部分。尽管名称通常可以互换使用，但是它们之间存在明显的区别，但是后续文章中将对此进行介绍。

不同国家和地区/经济区的这些标准有不同的变化，但是对于本文，我们将考虑联邦通信委员会（FCC）的标准。根据FCC标准的标题47：电信的第15部分，其中规定了“意外”无线电频率，设备分为两类：A和B类。

A类设备是指可用于工业，办公室以及除住宅之外的所有其他地方的设备，而CLass B设备是指可用于家庭的设备，尽管它可用于其他环境。

在传导耦合辐射方面，对于打算在家庭中使用的B类设备，预计辐射将限制在下表所示的值。以下信息是从联邦法规网站的电子法规获得的。

对于A类设备，限制为：

对于辐射发射，预计A类设备将保持在指定频率以下的限制内；

频率（MHz）	微伏/米
30至88	100
88至216	150
216至960	200
960及以上	500

对于B类设备，限制为：

频率（MHz）	微伏/米
30至88	90
88至216	150
216至960	210
960及以上	300

有关这些标准的更多信息，请参见不同监管机构的页面。

符合这些设备的EMC标准，需要四个级别的EMI保护：单个组件级别，板/ PCB级别，系统级别和整个系统级别。为实现这一目标，采取了两项主要措施：尽管也采用了其他重要措施，例如滤波，但通常采用电磁屏蔽和接地。由于大多数电子设备具有封闭性，因此通常在系统级别应用EMI屏蔽，以同时包含辐射和传导EMI，以确保符合EMC标准。因此，我们将围绕屏蔽作为EMI保护措施的实际考虑。

电磁屏蔽–保护您的设计不受EMI

屏蔽是减少电子产品中EMI的主要措施之一。它涉及为电子设备或电缆使用金属外壳/屏蔽。在屏蔽整个产品的成本太高或不切实际的某些设备/场所中，可能是EMI源/接收器的最关键组件都被屏蔽了。这在大多数预认证的通信模块和芯片中尤为常见。

物理屏蔽通过波的反射和吸收来衰减（减弱）EMI信号，从而降低了EMI。金属屏蔽的设计方式是，它能够反射电场分量，同时具有很高的磁导率，以吸收EMI的磁场分量。在电缆中，信号线被外部导电层围绕，该外部导电层的一端或两端接地，而对于外壳，导电金属外壳则充当干扰屏蔽层。

理想情况下，理想的EMC外壳应是由高密度材料（如钢）制成的外壳，所有侧面都完全密封，没有电缆，因此没有进出的波，但是需要考虑一些因素，例如对外壳的低成本，热管理，维护，电源和数据电缆等使这些理想变得不切实际。随着这些漏洞的产生，这些需求成为了EMI的潜在进入/退出点，设计师被迫采取多种措施以确保设备的整体性能最终仍处于EMC标准的允许范围内。

屏蔽实际考虑

如上所述，在使用外壳或屏蔽电缆进行屏蔽时，需要一些实际考虑。对于具有严重EMI可能性的产品（健康，航空，电力，通信，军事等），重要的是，产品设计团队必须由具有屏蔽和一般EMI情况相关经验的人员组成。本节将概述一些可能的技巧或EMI屏蔽。

1.机柜和外壳设计

如上所述，不可能设计没有某些孔的外壳来用作通风格栅，电缆孔，门以及诸如开关之类的东西。外壳上的这些开口（无论它们的大小或形状如何）（以EMI术语表示）都可以通过这些开口进入EM或从外壳中出来，这被称为插槽。插槽的设计必须使其长度和相对于RFI频率的方向不会将其转向波导，而在通风格栅的情况下，其尺寸和布置应在维持热量需求所需的气流之间保持适当的平衡。根据所需的信号衰减和所涉及的RFI频率确定电路的性能以及控制EMI的能力。

在诸如军事设备之类的关键应用中，通常将诸如门之类的狭槽用称为EMI垫片的专用垫片系紧。它们有不同的类型，包括编织网和金属螺旋垫片，但在选择垫片之前要考虑几个设计因素（通常是成本/收益）。总体而言，插槽的数量应尽可能少，尺寸应尽可能小。

2.电缆

某些机箱可能需要有电缆孔；这在机箱设计中也必须考虑在内。在

除此之外，电缆还可以用作传导EMI的手段，例如在关键设备中，电缆使用编织屏蔽层，然后将其接地。尽管这种方法很昂贵，但更有效。但是，在低成本情况下，现成的解决方案（如铁氧体磁珠）被放置在电缆边缘的特定位置。在PCB板级，滤波器也沿输入电源线实现。

通过EMI测试的最佳实践

用以控制EMI的某些EMI设计规范，特别是在板级上，包括：

使用预先认证的模块。特别是对于通信，使用已经认证的模块减少了团队在屏蔽方面需要做的工作，并降低了产品认证的成本。专家提示：无需为项目设计新的电源，而是将项目设计为与现有的现成电源兼容。这些为您节省了认证电源的成本。
保持电流环路小。导体通过一个较小的环路降低了导体通过感应和辐射耦合能量的能力，该环路用作天线
对于成对的铜印刷电路板（PC）电路板走线，请使用彼此上下对齐的宽（低阻抗）走线。
将滤波器放置在干扰源处，基本上应尽可能靠近电源模块。在选择滤波器组件值时，应考虑到所需的衰减频率范围。例如，电容器在某些频率下会自谐振，超出此频率时，它们会发挥感应作用。旁路电容引线应尽可能短。
考虑到噪声源与潜在敏感电路之间的接近性，将元件放置在PCB上。
去耦电容应尽可能靠近转换器放置，尤其是X和Y电容。
尽可能使用接地层，以最小化辐射耦合，最小化敏感节点的横截面积以及最小化可能会辐射的大电流节点（例如来自共模电容器的节点）的横截面积
表面贴装器件（SMD）在处理RF能量方面比带引线的器件要好，这是因为电感减小且可用的元件放置更近。

总而言之，在开发过程中在团队中拥有具有这些设计经验的人员非常重要，因为这有助于节省认证成本，并确保系统及其性能的稳定性和可靠性。