Interferencia electromagnética (emi): tipos, estándares y técnicas de blindaje

La certificación suele ser una de las etapas más costosas y tediosas durante el desarrollo de un nuevo producto de hardware. Ayuda a las autoridades a saber que el producto cumple con todas las leyes y pautas establecidas en torno a las funciones. De esta manera, se puede garantizar el rendimiento de ese producto en particular para evitar peligros y daños a sus usuarios. A pesar de lo tediosa que suele ser esta etapa, es importante que las empresas de productos planifiquen esto de antemano para evitar las complejidades de última hora. Para el artículo de hoy, analizaremos el estándar de diseño EMIque es una práctica muy común que los diseñadores deben tener en cuenta para desarrollar productos de calidad. Analizaremos EMI en detalle y examinaremos sus tipos, naturaleza, especificaciones y estándares, mecanismos de acoplamiento y blindaje, y mejores prácticas para pasar las pruebas de EMI.

Estándares EMI: ¿cómo empezó todo?

El estándar EMI (Interferencia electromagnética) se creó originalmente para proteger los circuitos electrónicos de las interferencias electromagnéticas que pueden impedir que funcionen de la forma en que fueron diseñados originalmente. En algún momento, estas interferencias pueden incluso hacer que el dispositivo funcione completamente mal y que pueda volverse peligroso para los usuarios. Primero se convirtió en una preocupación en la década de 1950, y fue principalmente de interés para el ejército debido a algunos accidentes notables que surgen de fallas de navegación debido a interferencias electromagnéticas en los sistemas de navegación y emisiones de radar que conducen a la liberación involuntaria de armas. Como tal, los militares querían asegurarse de que los sistemas fueran compatibles entre sí y que las operaciones de uno no afectaran al otro, ya que eso podría provocar muertes en su nave.

Además de las aplicaciones militares, los avances recientes en soluciones relacionadas con la medicina y la salud, como los marcapasos y otros tipos de CIED, también han contribuido a la necesidad de regulaciones EMI, ya que la interferencia en dispositivos como este podría conducir a situaciones potencialmente mortales.

Estos, entre otros escenarios, son los que conducen al establecimiento del estándar de interferencia EMI y al gran número de organismos reguladores de EMC que se han establecido.

¿Qué es la interferencia electromagnética (EMI)?

La interferencia electromagnética se puede definir como energía electromagnética no deseada que perturba el funcionamiento adecuado de un dispositivo electrónico. Todos los dispositivos electrónicos generan cierta cantidad de radiación electromagnética ya que la electricidad que fluye a través de sus circuitos y cables nunca está completamente contenida. Esta energía del dispositivo "A", ya sea propagada a través del aire como radiación electromagnética, o acoplada (o conducida a lo largo de) E / S o cables de otro dispositivo "B", podría interrumpir el equilibrio operativo en el dispositivo B, haciendo que el dispositivo mal funcionamiento a veces de forma peligrosa. Esta energía del dispositivo A que interfiere con las operaciones del dispositivo B se denomina interferencia electromagnética .

En ocasiones, la interferencia puede ser incluso de una fuente natural como tormentas eléctricas, pero la mayoría de las veces, es el resultado de las acciones de otro dispositivo en las proximidades. Si bien todos los dispositivos electrónicos generan algunas EMI, es más probable que una determinada clase de dispositivos, como teléfonos móviles, pantallas LED y motores, generen interferencias en comparación con otros. Dado que ningún dispositivo puede funcionar en un entorno aislado, es importante garantizar que nuestros dispositivos cumplan con ciertos estándares para garantizar que las interferencias se mantengan al mínimo. Estos estándares y regulaciones se conocen como el Estándar EMI y todos los productos / dispositivos que se usarán / venderán en regiones / países donde estos estándares son legales, deben estar certificados antes de que puedan usarse.

Tipos de interferencia electromagnética (EMI)

Antes de analizar el estándar y las regulaciones, probablemente sea importante examinar el tipo de EMI para comprender mejor el tipo de inmunidad que debe incorporarse a sus productos. La interferencia electromagnética se puede clasificar en tipos según varios factores que incluyen;

1. Fuente de EMI
2. Duración de EMI
3. Ancho de banda de EMI

Examinaremos cada una de estas categorías una tras otra.

1. Fuente de EMI

Una forma de clasificar las EMI en tipos es examinando la fuente de la interferencia y cómo se creó. Bajo esta categoría, hay básicamente dos tipos de EMI, EMI que ocurren naturalmente y EMI artificiales. La EMI que ocurre naturalmente se refiere a las interferencias electromagnéticas que ocurren como resultado de fenómenos naturales como iluminación, tormentas eléctricas y otros sucesos similares. Mientras que las EMI artificiales, por otro lado, se refieren a las EMI que se producen como resultado de las actividades de otros dispositivos electrónicos en las proximidades del dispositivo (receptor) que experimenta la interferencia. Ejemplos de este tipo de EMI incluyen, interferencia de radiofrecuencia, EMI en equipos de sonido, entre otros.

2. Duración de la interferencia

Las EMI también se clasifican en tipos según la duración de la interferencia, es decir, el período de tiempo durante el cual se experimentó la interferencia. En base a esto, las EMI generalmente se agrupan en dos tipos, EMI continua y EMI de impulso. La EMI continua se refiere a las EMI que una fuente emite continuamente. La fuente puede ser artificial o natural, pero la interferencia se experimenta de forma continua, mientras exista un mecanismo de acoplamiento (conducción o radiación) entre la fuente EMI y el receptor. Impulso EMIson EMI que se producen de forma intermitente o en muy poco tiempo. Al igual que los EMI continuos, Impulse EMI también podría ser de origen natural o artificial. El ejemplo incluye el ruido impulsivo experimentado por interruptores, iluminaciones y fuentes similares que podrían emitir señales que causen una perturbación en el voltaje o el equilibrio de la corriente de los sistemas cercanos conectados.

3. Ancho de banda de EMI

Las EMI también se pueden clasificar en tipos utilizando su ancho de banda. El ancho de banda de una EMI se refiere al rango de frecuencias en las que se experimenta la EMI. En base a esto, las EMI se pueden clasificar en EMI de banda estrecha y EMI de banda ancha. La EMI de banda estrecha generalmente consiste en una sola frecuencia o una banda estrecha de frecuencias de interferencia, posiblemente generadas por una forma de oscilador o como resultado de señales espurias que ocurren debido a diferentes tipos de distorsión en un transmisor. En la mayoría de los casos, suelen tener un efecto menor en las comunicaciones o los equipos electrónicos y se pueden desconectar fácilmente. Sin embargo, siguen siendo una potente fuente de interferencia y deben mantenerse dentro de límites aceptables. Los EMI de banda anchason EMI que no ocurren en frecuencias únicas / discretas. Ocupan una gran parte del espectro magnético, existen en diferentes formas y pueden surgir de diferentes fuentes naturales o artificiales. Las causas típicas incluyen el arco y la corona y representa la fuente de un buen porcentaje de problemas de EMI en equipos de datos digitales. Un buen ejemplo de una situación de EMI que ocurre naturalmente es la “interrupción del sol”, que ocurre como resultado de la energía del sol que interrumpe la señal de un satélite de comunicación. Otros ejemplos incluyen; EMI como resultado de escobillas defectuosas en motores / generadores, arcos en los sistemas de encendido, líneas eléctricas defectuosas y lámparas fluorescentes defectuosas.

Naturaleza de EMI

Las EMI, como se describió anteriormente, son ondas electromagnéticas que forman parte de los componentes de campo E (eléctrico) y H (magnético), que oscilan en ángulo recto entre sí como se muestra a continuación. Cada uno de estos componentes responde de manera diferente a parámetros como frecuencia, voltaje, distancia y corriente, por lo tanto, es fundamental comprender la naturaleza de la EMI para saber cuál de ellos es dominante antes de que se pueda abordar claramente el problema.

Por ejemplo, para los componentes del campo eléctrico, la atenuación de EMI se puede mejorar a través de materiales con alta conductividad, pero puede reducirse con materiales con mayor permeabilidad, que en contraste mejora la atenuación para el componente de campo magnético. Como tal, una mayor permeabilidad en un sistema con EMI dominada por campo E reducirá la atenuación, pero la atenuación mejorará en una EMI dominada por campo H. Sin embargo, debido a los avances recientes en las tecnologías utilizadas en la creación de componentes electrónicos, el campo E suele ser el componente principal de la interferencia.

Mecanismos de acoplamiento EMI

El mecanismo de acoplamiento EMI describe cómo los EMI pasan de la fuente al receptor (dispositivos afectados). Comprender la naturaleza de la EMI junto con cómo se acopla desde la fuente al receptor es clave para abordar el problema. Alimentado por los dos componentes (campo H y campo E), los EMI se acoplan desde una fuente a un receptor a través de cuatro tipos principales de acoplamiento EMI: conducción, radiación, acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo. Echemos un vistazo a los mecanismos de acoplamiento uno tras otro.

1. Conducción

El acoplamiento de conducción ocurre cuando las emisiones de EMI pasan por conductores (alambres y cables) que conectan la fuente de EMI y el receptor juntos. La EMI acoplada de esta manera es común en las líneas de suministro de energía y generalmente es pesada en el componente de campo H. El acoplamiento de conducción en líneas eléctricas puede ser conducción en modo común (la interferencia aparece en fase en la línea + ve y -ve o en las líneas tx y rx) o conducción en modo diferencial (la interferencia aparece fuera de fase en dos conductos). La solución más popular para la interferencia de conducción acoplada es el uso de filtros y blindaje sobre los cables.

2. Radiación

El acoplamiento de radiación es la forma más popular y comúnmente experimentada de acoplamiento EMI. A diferencia de la conducción, no implica ninguna conexión física entre la fuente y el receptor ya que la interferencia se emite (irradia) a través del espacio al receptor. Un buen ejemplo de EMI radiada es el apagón solar mencionado anteriormente.

3. Acoplamiento capacitivo

Esto ocurre entre dos dispositivos conectados. El acoplamiento capacitivo existe cuando un voltaje cambiante en la fuente transfiere capacitivamente una carga a la víctima

4. Acoplamiento inductivo / magnético

Esto se refiere al tipo de EMI que se produce como resultado de un conductor que induce interferencia en otro conductor cercano según los principios de inducción electromagnética.

Interferencia y compatibilidad electromagnéticas

Se puede decir que el estándar EMI es parte del estándar regulatorio llamado Compatibilidad electromagnética (EMC). Contiene una lista de estándares de rendimiento que los dispositivos deben cumplir para demostrar que pueden coexistir con otros dispositivos y funcionar como se diseñaron sin afectar también el rendimiento de los otros dispositivos. Como tales, los estándares EMI son esencialmente parte de los estándares generales de EMC. Si bien los nombres generalmente se usan indistintamente, existe una clara diferencia entre ellos, pero esto se tratará en un artículo de seguimiento.

Los diferentes países y continentes / zonas económicas tienen diferentes variaciones de estos estándares, pero para este artículo, consideraremos los estándares de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). De acuerdo con la Parte 15 del Título 47: Telecomunicaciones, de los Estándares de la FCC, que regula la radiofrecuencia “no intencional”, existen dos clases de dispositivos; Clase A y B.

Los dispositivos de Clase A son dispositivos diseñados para su uso en la industria, oficinas, en cualquier otro lugar menos en el hogar, mientras que los dispositivos CLass B son dispositivos diseñados para uso doméstico, a pesar de su uso en otros entornos.

En términos de emisiones acopladas por conducción, para los dispositivos de Clase B destinados a ser utilizados en el hogar, se espera que las emisiones se limiten a los valores que se muestran en la siguiente tabla. La siguiente información se obtiene del sitio web del Código electrónico de regulación federal.

Para los dispositivos de Clase A, los límites son;

Para las emisiones radiadas, se espera que los dispositivos de Clase A se mantengan dentro del límite a continuación para las frecuencias especificadas;

Frecuencia (MHz)	µV / m
30 hasta 88	100
88 hasta 216	150
216 hasta 960	200
960 y superior	500

Mientras que para los dispositivos de Clase B, los límites son;

Frecuencia (MHz)	µV / m
30 hasta 88	90
88 hasta 216	150
216 hasta 960	210
960 y superior	300

Se puede encontrar más información sobre estos estándares en la página de los diferentes organismos reguladores.

El cumplimiento de estos estándares EMC para dispositivos requiere protección EMI en cuatro niveles: nivel de componente individual, nivel de placa / PCB, nivel de sistema y nivel general del sistema. Para lograr esto, dos grandes medidas; Normalmente se emplean blindaje electromagnético y puesta a tierra, aunque también se emplean otras medidas importantes como el filtrado. Debido a la naturaleza cerrada de la mayoría de los dispositivos electrónicos, el blindaje EMI generalmente se aplica a nivel del sistema para contener EMI tanto radiadas como conducidas para garantizar el cumplimiento de los estándares EMC. Como tal, analizaremos consideraciones prácticas en torno al blindaje como medida de protección EMI.

Blindaje electromagnético: proteja su diseño de EMI

El blindaje es una de las principales medidas adoptadas para reducir las EMI en productos electrónicos. Implica el uso de una carcasa / blindaje metálico para la electrónica o los cables. En ciertos equipos / situaciones en las que proteger todo el producto puede ser demasiado costoso o poco práctico, se blindan los componentes más críticos que podrían ser una fuente / sumidero EMI. Esto es particularmente común en la mayoría de los módulos y chips de comunicación precertificados.

El blindaje físico reduce la EMI al atenuar (debilitar) las señales EMI a través del reflejo y la absorción de sus ondas. Los escudos metálicos están diseñados de tal manera que pueden reflejar el componente del campo E mientras poseen una alta permeabilidad magnética para absorber el componente del campo H de la EMI. En los cables, los cables de señal están rodeados por una capa conductora exterior que está conectada a tierra en uno o ambos extremos, mientras que para los gabinetes, una carcasa metálica conductora actúa como un escudo de interferencia.

Idealmente, el gabinete EMC perfecto sería uno hecho de un material denso como el acero, completamente sellado en todos los lados sin cables para que ninguna onda viaje hacia adentro o hacia afuera, pero varias consideraciones, como la necesidad de, bajo costo en gabinetes, gestión del calor, cables de mantenimiento, energía y datos, entre otros, hacen que estos ideales sean impracticables. Con cada uno de los agujeros creados, debido a que estas necesidades son puntos potenciales de entrada / salida para EMI, los diseñadores se ven obligados a tomar varias medidas para garantizar que el rendimiento general del dispositivo aún esté dentro de los rangos permitidos del estándar EMC al final del día.

Consideraciones prácticas de blindaje

Como se mencionó anteriormente, se requieren varias consideraciones prácticas al blindar con envolventes o cables blindados. Para productos con posibilidades críticas de EMI (salud, aviación, energía, comunicaciones, militares, etc.), es importante que los equipos de diseño de productos estén compuestos por personas con la experiencia relevante en blindaje y situaciones generales de EMI. Esta sección ofrecerá una descripción general amplia de algunas de las posibles puntas o blindaje EMI.

1. Diseño de gabinete y envolvente

Como se mencionó anteriormente, es imposible diseñar gabinetes sin ciertas aberturas que sirvan como rejillas de ventilación, orificios para cables, puertas y para cosas como interruptores, entre otros. Estas aberturas en los gabinetes, independientemente de su tamaño o forma, a través de las cuales una onda EM puede entrar o salir del gabinete, en términos de EMI, se denominan ranuras. Las ranuras deben diseñarse de tal manera que su longitud y orientación en relación con la frecuencia RFI no las convierta en una guía de ondas, mientras que su tamaño y disposición en el caso de rejillas de ventilación deben mantener un equilibrio adecuado entre el flujo de aire requerido para mantener los requisitos térmicos. de los circuitos y la capacidad de controlar EMI en función de la atenuación de señal requerida y la frecuencia RFI involucrada.

En aplicaciones críticas como equipos militares, las ranuras como las puertas, etc., suelen estar unidas con juntas especializadas denominadas juntas EMI. Vienen en diferentes tipos, incluyendo malla de alambre tejido y juntas metálicas en espiral, pero se consideran varios factores de diseño (generalmente costo / beneficios) antes de elegir la junta. En general, la cantidad de ranuras debe ser la menor posible y el tamaño debe ser lo más pequeño posible.

2. Cables

Es posible que se requiera que ciertos gabinetes tengan aberturas para cables; esto también debe tenerse en cuenta en el diseño del gabinete. En

Aparte de esto, los cables también sirven como medio de EMI conducidos como tales en equipos críticos, los cables utilizan un blindaje trenzado que luego se conecta a tierra. Si bien este enfoque es caro, es más eficaz. Sin embargo, en situaciones de bajo costo, las soluciones estándar, como las perlas de ferrita, se colocan en ubicaciones específicas en el borde de los cables. A nivel de placa PCB, los filtros también se implementan a lo largo de las líneas de alimentación de entrada.

Mejores prácticas para aprobar las pruebas de EMI

Algunas de las prácticas de diseño de EMI, especialmente a nivel de la junta, para mantener a EMI bajo control incluyen;

1. Utilice módulos precertificados. Especialmente para la comunicación, el uso de módulos ya certificados reduce la cantidad de trabajo que el equipo necesita hacer para proteger y reduce el costo de certificación de su producto. Consejo profesional: en lugar de diseñar una nueva fuente de alimentación para su proyecto, diseñe el proyecto para que sea compatible con las fuentes de alimentación existentes. Esto le ahorra costos en la certificación de la fuente de alimentación.
2. Mantenga pequeños los bucles de corriente. La capacidad de un conductor para acoplar energía por inducción y radiación se reduce con un bucle más pequeño, que actúa como antena.
3. Para pares de trazos de placa de circuito impreso (PC) de cobre, utilice trazos anchos (de baja impedancia) alineados por encima y por debajo del otro.
4. Ubique los filtros en la fuente de interferencia, básicamente lo más cerca posible del módulo de potencia. Los valores de los componentes del filtro deben elegirse teniendo en cuenta el rango de frecuencia de atenuación deseado. A modo de ejemplo, los condensadores resuenan por sí mismos a determinadas frecuencias, más allá de las cuales actúan de forma inductiva. Mantenga los cables del condensador de derivación lo más cortos posible.
5. Coloque los componentes en la PCB teniendo en cuenta la proximidad de las fuentes de ruido a los circuitos potencialmente susceptibles.
6. Coloque los condensadores de desacoplamiento lo más cerca posible del convertidor, especialmente los condensadores X e Y.
7. Utilice planos de tierra cuando sea posible para minimizar el acoplamiento radiante, minimizar el área de la sección transversal de los nodos sensibles y minimizar el área de la sección transversal de los nodos de alta corriente que pueden irradiar, como los de los condensadores de modo común
8. Los dispositivos de montaje en superficie (SMD) son mejores que los dispositivos con plomo en el manejo de energía de RF debido a las inductancias reducidas y la ubicación de componentes más cercana disponible.

En general, es importante contar con personas con estas experiencias de diseño en su equipo durante el proceso de desarrollo, ya que ayuda a ahorrar costos en la certificación y también garantiza la estabilidad y confiabilidad de su sistema y su rendimiento.