Понимание фильтров электромагнитных помех (EMI). Зачем они нужны?

Прежде чем мы обсудим основную информацию о фильтрах электромагнитных помех (EMI на русском ЭМП), давайте сначала разберемся, зачем нам нужны фильтры EMI в электронике.

Одна из важных причин, по которой разработчикам нужны фильтры электромагнитных помех, заключается в том, что требования регулирующих органов к радиочастоте (РЧ) / беспроводных устройств для использования в США (FCC), Канаде (IC), Европе (CE) и многих других странах требуют, чтобы излучаемые и кондуктивные излучения были ограничены ниже указанного порога и должны соответствовать требованиям к помехоустойчивости / переходным процессам. Разработчики должны понимать, что фильтры EMI помогут удовлетворить требования к устойчивости и быстрым переходным процессам, а также к излучаемым помехам для достижения надежной конструкции.

Правила регулирующего агентства

Органы регулирования электронной промышленности определили правила для подавления шума, создаваемого электронными устройствами, до разумного уровня. Данные агентства следят за тем, чтобы электронные устройства работали правильно при определенном уровне шума, чтобы мы могли использовать эти устройства с надлежащей безопасностью. Эти правила известны как правила электрического шума.

В сегодняшних условиях нас окружает гораздо больше электронных устройств, чем когда-либо прежде. Количество электронных устройств будет продолжать расти с развитием новых технологий.

В электронном устройстве, которое считается «источником» электрического  шума, возникновение этого шума называется излучением или генерацией помех. Напротив, если электронное устройство считается «жертвой» помех, устойчивость к шуму называется невосприимчивостью или помехоустойчивостью.

Фильтры электромагнитных помех также должны соответствовать стандартам безопасности

В безопасной конструкции обычно измеряется повышение температуры индуктора. При работе от сети будет контролироваться минимально необходимая изоляция между фазой, нейтралью и землей. Эти усилия снизят риск возгорания и поражения электрическим током.

Каждый конденсатор должен быть сертифицирован по безопасности, в зависимости от его положения в цепи. На входных клеммах сети питания должны использоваться специальные конденсаторы.

Фильтр электромагнитных помех

Фильтр электромагнитных помех — это электронный компонент, который обеспечивает подавление электромагнитных помех для электронных устройств. Данный фильтр обычно используется вместе с экранами и другими видами защиты. Фильтры EMI только извлекают и удаляют нежелательные влияние «шумовых компонентов», которые могут вызвать электромагнитный шум, от электрических токов, которые проходят по электрической цепи.

Что же такое фильтр электромагнитных помех (EMI)?

EMI — это просто шумовые помехи, вызванные внешними электромагнитными волнами. Электромагнитные помехи могут привести к ухудшению рабочих характеристик любого электрического оборудования в пределах допустимого диапазона, вызывая нежелательные токи и напряжения в его схемах.

Фильтр электромагнитных помех состоит из двух основных компонентов: наведенных электромагнитных помех и излучаемых электромагнитных помех. Кондуктивные электромагнитные помехи передаются через проводники и паразитные сопротивления, силовые и заземляющие соединения. Однако излучаемые электромагнитные помехи связаны с радиопередачей. Было продемонстрировано, что проверка характеристик кондуктивного дифференциала на частотах выше 30 МГц также поможет удовлетворить отдельно проверенные требования к электромагнитным помехам (рисунок ниже).

На этом графике показано измерение электромагнитных помех в дифференциальном режиме в конструкции без фильтра электромагнитных помех

Шум связан с восприимчивостью системы через следующие механизмы:

  • На низких частотах связь вызвана проводимостью.
  • На средних частотах электрическое и магнитное поля являются механизмами связи.
  • На высоких частотах связь происходит от электромагнитного излучения.

ПК, мобильные телефоны и другие электронные устройства обычно могут излучать нежелательный шум, который может мешать работе других электронных устройств в пределах их досягаемости.

Примечание. Не путайте электромагнитную совместимость (ЭМС) с электромагнитными помехами (ЭМП). Электромагнитная совместимость — это способность электрической системы выполнять свои функции в присутствии электромагнитных помех, генерируемых как внутри, так и извне, из соседней системы.

Шумовые помехи в системе

Даже при отсутствии внешних источников шума, за пределами электронного устройства, внутренние схемы могут создавать помехи другим схемам в этой системе. Это известно как «внутрисистемные электромагнитные помехи». Примером может служить цифровая схема, излучающая шум, который индуцируется в беспроводной цепи в смартфоне, который может испытывать трудности при приеме / передаче беспроводных сигналов на локальную базовую станцию ​​5G. Другой пример — радиоприемник, на который также может воздействовать электродвигатель поблизости.

Схемы все более высокого уровня сложности располагаются в непосредственной близости от других схем, чтобы уменьшить форм-фактор всей конструкции. Встроенные чувствительные компоненты могут быть размещены рядом с цепями управления питанием с большими напряжениями и токами. Такая компоновка может привести к тому, что некоторые схемы будут электромагнитно мешать работе близлежащих чувствительных схем. Компоновки проекта должны обеспечивать адекватную плотность компонентов, при этом они должны быть чувствительны к электромагнитным помехам для других, более восприимчивых компонентов.

Одной из наиболее распространенных схем в современных электронных системах является импульсный источник питания (SMPS), который обеспечивает значительное повышение эффективности по сравнению с линейным регулятором в большинстве приложений. Однако этот бонус высокой эффективности имеет обратную сторону: включение и выключение силовых полевых транзисторов в SMPS становится основным источником электромагнитных помех. Одним из типов фильтров EMI для SMPS является архитектура с дифференциальным режимом (рисунок ниже).

На этой схеме показан пример конструкции дифференциального фильтра электромагнитных помех для импульсного источника питания

Использование фильтра электромагнитных помех в электронном продукте

Во-первых, давайте посмотрим на основной электрический фильтр. Фильтр в электронной системе может быть аналоговым, цифровым, активным или пассивным. Фильтр, предотвращающий шум в системе, будет контролировать нежелательные для системы частоты. Фильтры получают сигнал на своем входе и выдают выходной сигнал, который изменяется внутренней схемой, чтобы удалить нежелательный шум, попадающий в систему.

Другие типы фильтров могут быть разработаны для удаления других «шумных» нарушителей во входном сигнале. Мы не хотим, чтобы фильтр электромагнитных помех снижал эффективность или удельную мощность источника питания. Об этом мы поговорим в следующих статьях.

На этом изображении показано измерение кондуктивных электромагнитных помех с использованием дифференциального фильтра электромагнитных помех

Фильтр EMI (ЭМП) будет эффективно отфильтровывать определенную частоту в линии или любую другую частоту, вызывающую нарушение, чтобы получить соответствующий сигнал определенной частоты или исключить сигнал выше определенной частоты. По сути, фильтр электромагнитных помех — это электрическое устройство / цепь, которая помогает уменьшить высокочастотный электромагнитный шум, присутствующий в линиях электропередач, а также в сигнальных линиях (рисунок выше).

Фильтры ЭМП могут быть классифицированы как фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые или фильтры полосы частот. Фильтры электромагнитных помех обычно конструируются с пассивными компонентами, такими как конденсаторы и катушки индуктивности, сконфигурированными в форме LC-фильтра или даже в более сложных архитектурах.

Катушки индуктивности в фильтре электромагнитных помех пропускают низкочастотные или даже постоянные сигналы, но блокируют нежелательные высокочастотные сигналы. Конденсаторы обычно направляют высокочастотный шум путем низкого сопротивления обратно к заземлению источника питания или заземлению системы.

Подведем итоги

Когда новый дизайн продукта выпускается в открытый мир электроники, он должен пройти специальные тесты на электромагнитные помехи, чтобы соответствовать местным стандартам для этого конкретного типа продукта. В этой статье описываются электромагнитные помехи и определяются фильтры подавления электромагнитных помех. Обсуждается шум электромагнитных помех внутри системы, и в качестве возможных нарушителей рассматриваются примеры импульсных источников питания. Наконец, использование фильтра электромагнитных помех в электронном продукте рассматривается на базовом уровне.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *