Einsatz von EMI-Abschirmung zur Reduzierung abgestrahlter Emissionen in elektronischen Designs

Elektronischer Lärm ist überall. Als Konstrukteur müssen Sie alle Werkzeuge zur Hand haben, um Ihre Ausrüstung davor zu schützen. In diesem Artikel geht es um EMI-Abschirmungen, Werkzeuge, die vielfältig eingesetzt werden können, um das elektromagnetische Verhalten Ihres Geräts zu verbessern und es vor externen Störungen zu schützen.

Nach den Maxwell-Gleichungen wird jedes Mal, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, ein Magnetfeld erzeugt. Darüber hinaus existiert jedes Mal, wenn ein Magnetfeld existiert, auch ein elektrisches Feld. Aufgrund des Strahlungsaspekts dieser elektrischen und magnetischen Felder sind sie weithin als bekanntStrahlungsemissionen.

Diese abgestrahlten Emissionen können Probleme in Schaltkreisen oder auf einer gesamten Leiterplatte (PCB) verursachen. In einem idealen Schaltkreis finden Sie nur die Signale, Ströme und Spannungen, die vom Schaltkreis selbst erzeugt werden. In der realen Welt wird es Lärm geben. Dies geschieht, wenn das Signal eines Stromkreises durch einen anderen gestört wird.

Aufgrund der Natur elektromagnetischer Signale lässt sich das Vorhandensein von Rauschen zwar nicht vermeiden, die Auswirkungen können jedoch deutlich reduziert werden.

Es ist wichtig, dass ein Gerät während seiner Funktion andere nicht beeinträchtigt, ebenso ist es wichtig, dass das Gerät wiederum nicht durch andere beeinträchtigt wird. Unter elektromagnetischer Störanfälligkeit versteht man die Fähigkeit eines Stromkreises oder Systems, auch bei Einwirkung von Störungen funktionsfähig zu bleiben. Diese Anfälligkeit wird durch den angewendeten Geräuschpegel bestimmt. Je nach Anwendung – Automobil, Medizin, Militär usw. – sind unterschiedliche Anfälligkeitsgrade akzeptabel.

Jeder Stromkreis, jedes Gerät oder jedes System muss so ausgelegt sein, dass es möglichst wenig Emissionen ausstrahlt und nur einem hohen Maß an elektromagnetischen Feldern ausgesetzt ist.

Die Zertifizierung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist ein notwendiger Schritt für jedes Produkt, das auf den Markt kommt. Jedes Produkt muss einer EMV-Prüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass es bei der Installation keine Auswirkungen auf andere Geräte hat (z. B. eine Emissionsprüfung) und dass sein Betrieb auch dann normal funktioniert, wenn andere Systeme in der Umgebung vorhanden sind (z. B. ein Empfindlichkeitstest).

Elektronische Konstruktionen werden üblicherweise in Gehäusen eingebaut. Metallgehäuse können elektromagnetische Felder gut eindämmen, sind aber nicht perfekt. Die Verbindung zwischen Leiterplatte und Gehäuse weist Löcher oder Schlitze auf, durch die elektromagnetische Felder hindurchtreten können. Eine EMI-Abschirmung kann diese Löcher bequem abdecken.

Darüber hinaus gibt es bei vielen Produktdesigns ein gemeinsames Problem: Die EMV-Zertifizierung wird erst in den letzten Phasen des Designzyklus berücksichtigt. An diesem Punkt sind elektromechanische Designs eingefroren und der EMV-Ingenieur hat fast keinen Spielraum mehr, das Produkt zu modifizieren, um elektromagnetische Probleme zu lösen. Aus diesem Grund ist es oft notwendig, über eine Reihe von Werkzeugen zu verfügen, um Strahlungsprobleme zu lösen, ohne eine Leiterplatte zu modifizieren. In diesen Situationen spielen EMI-Abschirmungen eine Schlüsselrolle.

Der globale Trend in der Elektronik geht dahin, klein und schnell zu sein. Leiterplatten verfügen immer mehr über schnelle digitale Schaltkreise mit sehr kurzen Anstiegszeiten. Je kürzer die Anstiegszeit, desto größer die Bandbreite und desto kleiner die Wellenlänge. Probleme entstehen, wenn die in den Schaltkreisen vorhandenen Wellenlängen mit den physikalischen Abmessungen der Leiterplatte vergleichbar sind. Wenn diese Wellenlängen klein genug sind, können sie nach außen dringen und andere Geräte stören.

Diese Öffnungen können mit einer EMI-Abschirmung verschlossen werden, also einem magnetischen Material, das dabei hilft, diese kleinen Löcher abzudecken und den Faradayschen Käfigeffekt des mechanischen Gehäuses zu verbessern.

Es gibt unzählige EMI-Abschirmungen, alle aus unterschiedlichen Materialien und Formen. Sie alle haben jedoch das gleiche gemeinsame Ziel: elektromagnetische Felder einzudämmen.

Abschirmelemente wirken als Barriere, die elektromagnetische Emissionen blockiert. Dieser Blockiervorgang stellt in Wirklichkeit eine enorme Dämpfung dar, die von der Frequenz der elektromagnetischen Welle und dem Material des Abschirmelements abhängt.

Wenn eine Welle auf ein Abschirmmaterial trifft, werden zwei neue Wellen erzeugt: eine reflektierte und eine durchgelassene Welle. Daher wird die Energie der einfallenden Welle in diese beiden Wellen aufgeteilt. Die übertragene Komponente ist die relevante, da sie nach außen gelangt und das Abschirmmaterial durchdringt. Die Wirksamkeit der Abschirmung bestimmt ihre Eignung zur Dämpfung dieser Komponente.

Die Hauttiefe ist die Entfernung, die eine Welle zurücklegen kann, bevor ihre Amplitude um den Faktor 1/e abgenommen hat. Es handelt sich um einen Faktor, der von der magnetischen Permeabilität, Frequenz und dem spezifischen Widerstand des Materials abhängt. Es kann durch den folgenden Ausdruck angenähert werden:

\[\delta = \sqrt{\frac {2}{\omega \in \sigma}}\]

Dabei ist \(\sigma \) die elektrische Leitfähigkeit, \(\mu \) die magnetische Permeabilität und \(\omega \) die Kreisfrequenz.

Das Ziel der Verwendung eines Abschirmmaterials besteht darin, die Amplitude der Wellen nach ihrem Durchgang so weit wie möglich zu reduzieren. Daher ist es wichtig, sowohl den Materialtyp als auch die Dicke auszuwählenTum sicherzustellen, dass alle Frequenzen des Systems gedämpft werden.

Wie gut das Abschirmmaterial dieser Aufgabe gewachsen ist, wird durch die Abschirmeffektivität (SE) angegeben, die im Folgenden ausgedrückt wird:

\[SE =20log \frac {\eta_o}{4\eta_s}+20loge^{t/\delta } (dB)\]

Dabei entspricht der erste Term dem Reflexionsverlust und der zweite Term dem Absorptionsverlust.

Die Art der EMI-Abschirmung, die Sie wählen, hängt stark von der Art des Produkts, den elektromagnetischen Anforderungen und den Umgebungsbedingungen ab. Die gebräuchlichsten EMI-Abschirmungen sind die folgenden:

EMI-Dichtungen sind Wird verwendet, um Mikrolöcher abzudecken, die aufgrund von Unregelmäßigkeiten zwischen zwei mechanischen Oberflächen entstehen. Sie können auch zur Verbesserung der Erdungsverbindung dienen. Sie verfügen über einen Klebeteil und viele Profile, sodass sie problemlos in verschiedene Arten mechanischer Verbindungen eingebaut werden können

Wenn Sie sicherstellen möchten, dass alle Mikrolöcher abgedeckt sind, aber nicht viel vertikaler Raum für Optionen wie EMI-Dichtungen vorhanden ist, sind EMV-Bänder sehr praktisch. Diese Bänder haben auf der Oberseite ein hochleitfähiges Material wie Nickel oder Kupfer und auf der anderen Seite einen Kleber.

Innerhalb jedes Geräts ist immer eine kurze, breite und direkte Verbindung zur Erde erforderlich. Wenn diese Verbindung nicht ordnungsgemäß hergestellt wird, entsteht ein unerwünschter Monopol, der elektromagnetische Felder ausstrahlt. Metallklammern verbessern diese Verbindung und verstärken die mechanische Verbindung.

Komponenten wie Mikroprozessoren, Speicher-ICs und Hochfrequenzstufen (RF) sind häufig gute Störquellen. Sie können sie einzeln abschirmen, indem Sie auf Leiterplattenebene ein Abschirmgehäuse darüber platzieren.

Alle Schaltkreise senden elektromagnetische Strahlung aus und sind anfällig für Strahlung durch andere. Der Erhalt der für die Markteinführung Ihres Produkts erforderlichen Zertifizierungen kann ein mühsamer Testprozess sein.

EMI-Abschirmung in all ihren Formen und Typen ist von grundlegender Bedeutung für die Bekämpfung von EMI-Problemen.

Ausgewähltes Bild, erstellt mit Werken von Markus Bautsch und Harwin Electronics.