EMC-conformiteit bereiken met EMI-afscherming

Technologische ontwikkelingen, zoals de uitdijende beschikbaarheid van 5G en de groeiende populariteit van het Internet of Things (IoT), vergroten de noodzaak tot afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI). EMC-conformiteit bereiken en EMI-bronnen vroeg in de ontwerpfase verminderen zijn van cruciaal belang om inefficiëntie te elimineren, kostbare herontwerpen te vermijden en vertragingen bij de productlancering te voorkomen. In elk ontwerpelement of subsysteem – van behuizing over module tot printplaat ('pcb’ of ’printed circuit board') – kan EMI-afscherming ingebouwd worden.

Ingenieurs hebben de keuze uit een uitgebreide reeks afschermingsopties voor elke fase van het ontwerpproces in haast alle mogelijke toepassingen, van commerciële toepassingen in energie-infrastructuur en defensie tot auto’s. Dit artikel wil ingenieurs enig inzicht geven in de technologische ontwikkelingen die een uitdaging vormen voor bestaande EMI-afschermingstechnieken en een overzicht geven van de verkrijgbare materialen.

Elektromagnetische interferentie is overal

Elektromagnetische velden treden in zo goed als elke schakeling op. Wisselstroom die door een draad of printspoor loopt, wekt rondom zijn pad oscillerende elektrische velden en magnetische fluxlijnen op (figuur 1). Worden die velden geïnduceerd of verspringen ze naar een ander circuit of een andere verbinding, dan worden ze ongewenste ruis of interferentie. Die ongewenste ruis, aangeduid met de algemene term EMI, kan de werking van dat andere circuit verstoren of ermee interfereren.

Een elektrostatische ontlading (ESD of electrostatic discharge) is een andere vorm van EMI. Elektrostatische ontladingen vertonen eerder een wisselende frequentie, terwijl EMI doorgaans constant is. Elke kortstondige transiënte overspanning (‘high dV/dt’) kan een slechte werking van of permanente schade aan gevoelige elektronische systemen veroorzaken. De meeste elektronische systemen, zoals klokschakelingen, snelle digitale schakelaars, DC/DC-converters en draadloze interfaces wekken onbedoelde EMI op.

Die EMI-emissies vinden via geleiding of straling hun weg in andere schakelingen. Zo kunnen kloksignalen die via een printspoor worden getransporteerd straling uitzenden, vaak op meer dan 10 MHz, omdat zo’n printspoor als antenne werkt. De achterliggende gedachte van EMC is dat een circuit of systeem immuun moet zijn voor EMI (figuur 2).
 

Marktdynamiek en -trends

Permanente connectiviteit is alomtegenwoordig geworden. Onze samenleving vond nooit eerder zoveel baat bij een betrouwbare en veerkrachtige communicatie-infrastructuur als nu, en dit zowel thuis, onderweg, op het werk als in de auto. De opkomst van het IoT en zijn industriële tegenhanger, het IIoT (Industrial Internet of Things), en de groei van mobiele communicatie hebben onze behoefte aan en onze afhankelijkheid van draadloze communicatie vergroot, die omgekeerd helaas gevoelig voor en een potentiële bron van EMI is. De uitrol van draadloze 5G-infrastructuur die gebruikmaakt van een voorheen onbenut ultrahoogfrequent radiospectrum maakt het optreden van EMI des te waarschijnlijker. Daarom is het nu belangrijker dan ooit om producten immuun tegen EMI te maken.

Normen voor elektromagnetische compatibiliteit

Nationale en regionale EMC-normen, die doorgaans in overeenstemming zijn met internationaal erkende EMC-normen (figuur 3), leggen specificaties vast waaraan producten moeten voldoen voordat ze worden verkocht. De normen stipuleren de maximaal toegestane emissies voor een ontwikkeld product en de immuniteit of gevoeligheid ervan voor uitgestraalde of geleide emissies. Bij elke nieuwe productontwikkeling doen ontwerpingenieurs er goed aan bij de prototypingfase al rekening te houden met het inbouwen van potentiële maatregelen tegen EMI en voor EMC in plaats van als nagedachte. Een degelijk begrip van de toepasselijke EMI- en EMC-normen, plausibele emissiebronnen en de kringen die wellicht gevoeliger zijn voor EMI-ruis is van eminent belang (zie tabel 1).
 

 

EMC-certificering behalen

Hoewel een geaccrediteerde EMC-testinstelling alleen de EMC-certificering mag uitvoeren, kan het technische team op heel wat punten zelf onderzoek uitvoeren voordat het product naar het testlaboratorium wordt gebracht. Basismetingen van uitgestraalde en geleide emissies met een spectrumanalyse-instrument of een EMI-ontvanger uitgerust met de passende H- en E-veldsondes zullen aanwijzingen geven over de noodzaak tot verdere tests of EMI-tegenmaatregelen. Voor een klein productontwerpteam is dit dure testapparatuur in de aanschaf, maar gespecialiseerde verhuurbedrijven voor EMI-test- en -meetapparatuur bieden een voordelig alternatief. Tests voorafgaand aan de conformiteitstests zijn stellig aanbevolen, want hiermee kan het ontwerpteam potentiële bronnen van storing lokaliseren en technieken inzetten om EMI te verminderen, zoals afscherming, aardvlakken en ontkoppeling. Een product blootstellen aan EMI-emissies is eveneens belangrijk.

EMI-afschermingsklassen

EMI verminderen en de werking van schakelingen immuun maken voor EMI vergt een systematische benadering in alle stappen van het productontwerpproces. Dit laatste behelst aspecten van het printontwerp, de integratie van aardvlakken en het scheiden van sterk ruis producerende schakelingen van gevoelige analoge signaalketens. Afschermingscomponenten, -modules en functionele onderdelen bieden voor veel toepassingen een praktische aanpak op basis van een drieledige methodiek, namelijk gericht op behuizing, module en print (figuur 4).
 

Uitgestraalde emissies worden afgeschermd door rondom de EMI-bron een kooi van Faraday te bouwen. Een afscherming op het niveau van de behuizing vermindert het binnendringen en ontsnappen van alle mogelijke bronnen van storing. Sommige circuitfuncties vergen echter extra niveaus van bescherming om de inwerking van interne EMI op de werking van andere circuits te voorkomen. Afscherming op module-niveau is nuttig en wordt doorgaans toegepast rond draadloze modules, schakelende DC/DC-omvormers en LC-displays. Een afscherming op printniveau kan noodzakelijk zijn voor gevoelige componenten, zoals een ADC-IC. Afscherming is ook van belang voor alle soorten verbindingen; vergeet dus zeker niet om uitgestraalde emissies via kabelwartels, stekkers en pluggen tegen te gaan.

Materialen voor EMI-afscherming

EMI-afschermingscomponenten zijn onder meer omhullingen van draadgaas, elektrisch geleidende elastomeren, elektrisch geleidende weefsels en metalen vingerpakkingen. Elk type materiaal vertoont enigszins andere EMI-dempende eigenschappen en is bedoeld voor specifieke gebruikssituaties. Figuur 5 illustreert het frequentiedempende vermogen van deze vier soorten afscherming.
 

Draadgaas: meerdere lagen geweven draad op een spons- of buisvormige kern (vervaardigd van verschillende gaasmaterialen) vormt een effectieve EMI-oplossing en biedt galvanische compatibiliteit. Met de weeftechniek kan de afscherming aangepast worden aan complexe vormen en verbindingen met draagmaterialen die bescherming bieden tegen binnendringen van storing. Afscherming met gaas is geschikt in diverse gebruikssituaties, zoals kastdeuren, deksels en afneembare afdekkappen. De effectiviteit van de afscherming neemt doorgaans af boven 1 GHz, tenzij er extra lagen worden aangebracht. Een voorbeeld is het Kemtron-portfolio draadgaas-pakkingen van TE Connectivity (figuur 6), verkrijgbaar op lengte gesneden of als kant-en-klare pakking.
 

Elektrisch geleidende elastomeren: deze zijn verkrijgbaar van diverse materialen en vormen bij Kemtron Ltd, nu onderdeel van TE Connectivity (figuur 7). Ze bieden een demping van meer dan 100 dB tot 10 GHz [2]. Mogelijke vulmaterialen zijn verzilverd aluminium en vernikkeld grafiet; opties voor bindmiddelen omvatten siliconen of fluorsiliconen. Tot de populaire vormen behoren vellen, platte pakkingen en O-ringen. “Jam nut” O-ringpakkingen zijn expliciet vervaardigd voor RF EMI-afschermingsdoeleinden en zijn beschikbaar in de meest populaire connectorformaten.
 

Honingraat-ventilatieafdekking: voor toepassingen van geforceerde koeling met een ventilator biedt de ventilatieopening een directe uitgang voor storing om uit de anderszins EMI-dichte behuizing te ontsnappen. Een honingraat-ventilatieafdekking van Kemtron/TE Connectivity kan dit beletten. Deze bieden naast EMI-demping een toereikend luchtdebiet dankzij de gelamineerde, enkellaags honingraat-celconstructie van aluminiumfolie. De ventilatieafdekkingen zijn verkrijgbaar in alle populaire ventilatorformaten van 40 mm tot 120 mm.

EMI-immuniteit verbeteren

EMI ten gevolge van ongewenste emissie vanuit apparatuur verstoort de betrouwbare werking van systemen. EMC bereiken is een wettelijke verplichting en een noodzaak om onvoorspelbaar systeemgedrag te voorkomen. Dit korte artikel belichtte een aantal afschermingsmethoden die ingenieurs kunnen inzetten om de EMI-immuniteit te verbeteren.