一, The Three Elements and Propagation Path of Electromagnetic Interference
Ο σχηματισμός ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) απαιτεί τρία στοιχεία ταυτόχρονα: πηγή παρεμβολής, διαδρομή σύζευξης και ευαίσθητο εξοπλισμό. Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, τυπικές πηγές παρεμβολών περιλαμβάνουν:
Μετατροπέας: Το αρμονικό ρεύμα (2-50kHz) που παράγεται από τη διαμόρφωση PWM του διοχετεύεται μέσω της γραμμής ισχύος, ενώ το καλώδιο εξόδου σχηματίζει μια κεραία για την ακτινοβολία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής συχνότητας (100kHz-30MHz).
Σύστημα κινητήρα: Ακτινοβολία ηλεκτρικού σπινθήρα που παράγεται από εναλλαγή βούρτσας (1-100MHz), καθώς και διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου που προκαλούνται από αλλαγές στο ρεύμα περιέλιξης (50Hz και οι αρμονικές του).
Μηχανή συγκόλλησης: Ο ηλεκτρομαγνητικός παλμός υψηλής-εντάσεως (0,1-10 MHz) που δημιουργείται κατά τη διαδικασία συγκόλλησης τόξου μπορεί να εκπέμπει έως και δεκάδες μέτρα.
Συσκευές ασύρματης επικοινωνίας: Οι ζώνες συχνοτήτων Wi Fi/Bluetooth (2,4 GHz/5 GHz) επικαλύπτονται με τις ευαίσθητες ζώνες συχνοτήτων των κυκλωμάτων ελέγχου LCD.
Οι παρεμβολές εισβάλλουν στο σύστημα LCD μέσω των ακόλουθων οδών:
Αγώγιμη σύζευξη: Χρησιμοποιώντας γραμμές ισχύος και σήματος ως φορείς, οι παρεμβολές εγχέονται απευθείας στο κύκλωμα.
Σύζευξη ακτινοβολίας: Τα διαστημικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα προκαλούν τάση παρεμβολής στην καλωδίωση ή στους συνδέσμους PCB μέσω εφέ κεραίας.
Σύζευξη κοινής σύνθετης αντίστασης: Υπάρχει μια κοινή σύνθετη αντίσταση στο κύκλωμα γείωσης, η οποία προκαλεί τη ροή ρεύματος παρεμβολής μεταξύ των συσκευών.
2, Κατασκευή Συστήματος Τεχνολογίας Προστασίας
1. Σχεδιασμός θωράκισης: Μπλοκάρετε τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
Θωράκιση μεταλλικού κελύφους: χρήση κελύφους πλάκας από κράμα αλουμινίου ή γαλβανισμένο χάλυβα, με πάχος μεγαλύτερο ή ίσο με 1,5 mm για να επιτευχθεί αποτελεσματική εξασθένηση. Για παράδειγμα, ένας κατασκευαστής χημικών οργάνων πέτυχε αποτελεσματικότητα θωράκισης πάνω από 40dB στη ζώνη συχνοτήτων 30MHz-1GHz βελτιστοποιώντας τη δομή του κελύφους. Τα βασικά σημεία σχεδιασμού περιλαμβάνουν:
Συνέχεια του σώματος θωράκισης: Το πλάτος του διακένου του κελύφους θα πρέπει να ελέγχεται εντός 0,1 mm και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται αγώγιμα μαξιλαράκια ή πλάκες ελατηρίου για ηλεκτρική σύνδεση.
Έλεγχος διαφράγματος: Οι οπές απαγωγής θερμότητας υιοθετούν ένα σχέδιο κηρήθρας, με άνοιγμα μικρότερο ή ίσο με λ/20 (όπου λ είναι το μήκος κύματος της υψηλότερης συχνότητας παρεμβολής).
Επεξεργασία παραθύρου οθόνης: Χρησιμοποιήστε αγώγιμο γυαλί ITO (αντίσταση επιφάνειας Μικρότερη ή ίση με 10 Ω/□) ή θωράκιση από μεταλλικό πλέγμα, με διαπερατότητα φωτός μεγαλύτερη ή ίση με 85%.
Απομόνωση εσωτερικής θωράκισης: Εφαρμογή τοπικής θωράκισης για ευαίσθητες μονάδες κυκλώματος:
Κύριο τσιπ ελέγχου: χρήση προστατευτικού καλύμματος από φύλλο χαλκού, αντίσταση γείωσης Μικρότερη ή ίση με 10m Ω.
Μονάδα τροφοδοσίας: Εγκαταστήστε μαγνητικούς δακτυλίους γύρω από τον μετατροπέα DC-για την καταστολή του θορύβου του διακόπτη.
Διεπαφή σήματος: Χρησιμοποιήστε θωρακισμένους συνδέσμους (όπως D-υποτύπου) και συγκολλήστε το στρώμα θωράκισης κατά 360 μοίρες στο επίπεδο γείωσης PCB.
2. Τεχνολογία φιλτραρίσματος: Καταστολή διερχόμενων παρεμβολών
Φιλτράρισμα τέλους ισχύος: Εγκαταστήστε ένα φίλτρο EMI στο άκρο εισόδου ισχύος LCD, με τυπικές απαιτήσεις παραμέτρων:
Απώλεια εισαγωγής: Μεγαλύτερη ή ίση με 40dB στη ζώνη συχνοτήτων 150kHz-30MHz
Ονομαστικό ρεύμα: Επιλέξτε σύμφωνα με τις απαιτήσεις φορτίου, αφήνοντας περιθώριο 20%.
Ρεύμα διαρροής: Μικρότερο ή ίσο με 1 mA (σύμφωνα με το πρότυπο ασφαλείας IEC 60950)
Μια μελέτη περίπτωσης ενός οργάνου αυτοκινήτου δείχνει ότι μετά τη χρήση ενός φίλτρου LC δύο- σταδίων, η διεξαχθείσα παρεμβολή στη γραμμή ισχύος μειώθηκε από 45 dB μ V σε 20 dB μ V.
Φιλτράρισμα γραμμής σήματος: Για γραμμές σήματος βίντεο όπως RGB/LVDS, χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός πηνίου τσοκ κοινής λειτουργίας (CMCC) και πυκνωτή διαφορικής λειτουργίας για φιλτράρισμα:
Επαγωγή CMCC: 100-1000 μ H (επιλέγεται με βάση τη συχνότητα σήματος)
Διαφορική χωρητικότητα: 0,1-1 μ F (πυκνωτής ασφαλείας τύπου X2)
3. Βελτιστοποίηση συστήματος γείωσης
Στρατηγική γείωσης ενός σημείου: Σε κυκλώματα χαμηλής-συχνότητας (στ<1MHz), all grounding wires are converged to a common grounding point to avoid the formation of a ground loop. A certain power monitoring instrument reduced the common mode interference voltage from 5V to 0.5V by reconstructing the grounding system.
Multi point grounding strategy: In high-frequency circuits (f>10MHz), ο σχεδιασμός πλακέτας πολλαπλών επιπέδων PCB-υιοθετείται για τη δημιουργία ενός πλήρους επιπέδου γείωσης:
Τμηματοποίηση επιπέδου γείωσης: Η ψηφιακή γείωση και η αναλογική γείωση συνδέονται σε ένα μόνο σημείο μέσω μιας αντίστασης 0 Ω ή μαγνητικών σφαιριδίων.
Γείωση μέσω: Τουλάχιστον μία γείωση με διάμετρο μεγαλύτερη ή ίση με 0,5 mm πρέπει να διατάσσεται ανά τετραγωνική ίντσα PCB.
Έλεγχος αντίστασης γείωσης: Βεβαιωθείτε ότι η αντίσταση γείωσης είναι μικρότερη ή ίση με 4 Ω με τα ακόλουθα μέτρα:
Αυξήστε τον αριθμό των ηλεκτροδίων γείωσης (τουλάχιστον 3)
Χρησιμοποιήστε μειωτήρα αντίστασης (αντίσταση μικρότερη ή ίση με 5 Ω· m)
Ελέγχετε τακτικά την αντίσταση γείωσης (συνιστάται μία φορά κάθε τρίμηνο)
4. Σχεδιασμός κατά των παρεμβολών- PCB
Βελτιστοποίηση διάταξης:
Δρομολόγηση σήματος κλειδιού: Το μήκος των γραμμών ρολογιού και σήματος βίντεο πρέπει να ελέγχεται εντός λ/20 (όπου λ είναι το μήκος κύματος του σήματος).
Ισχύς/Επίπεδο γείωσης: Υιοθετώντας μια δομή πλακέτας 4 επιπέδων (σήμα ισχύος σήματος γείωσης), το επίπεδο ισχύος συνδέεται στενά με το επίπεδο γείωσης.
Διάταξη συσκευής: Τα αναλογικά κυκλώματα και τα ψηφιακά κυκλώματα είναι διατεταγμένα σε ξεχωριστές ζώνες με απόσταση μεγαλύτερη ή ίση με 5 mm.
Προδιαγραφές καλωδίωσης:
Διαφορική δρομολόγηση: Διατηρήστε ίσο μήκος (σφάλμα μικρότερο ή ίσο με 50 mil), με απόσταση διπλάσια από το πλάτος της γραμμής.
Σερπεντίνη δρομολόγηση: χρησιμοποιείται για αντιστοίχιση καθυστέρησης σήματος ρολογιού, με πλάτος μεγαλύτερο ή ίσο με 3 φορές το πλάτος γραμμής και απόσταση μεγαλύτερη ή ίση με 5 φορές το πλάτος γραμμής.
Διάταξη πυκνωτή φίλτρου: Ο κεραμικός πυκνωτής 0,1 μ F βρίσκεται κοντά στον ακροδέκτη τροφοδοσίας του τσιπ (Μικρότερος ή ίσος με 3 mm) και ο πυκνωτής τανταλίου 10 μ F είναι τοποθετημένος στην είσοδο ισχύος.
3, Τυπική ανάλυση περίπτωσης εφαρμογής
Περίπτωση 1: Σχεδιασμός κατά των παρεμβολών πετροχημικών οργάνων
Η οθόνη LCD ενός συγκεκριμένου συστήματος παρακολούθησης κοιτασμάτων πετρελαίου έδειξε ανώμαλη εμφάνιση κατά τη διάρκεια εργασιών συγκόλλησης. Μετά από ανάλυση, διαπιστώθηκε ότι:
Πηγή παρεμβολής: Ηλεκτρομαγνητικός παλμός 1-10 MHz που παράγεται από τη μηχανή συγκόλλησης
Διαδρομή διάδοσης: Διαστημική ακτινοβολία συνδεδεμένη με γραμμή σήματος βίντεο LCD
Διάλυμα:
Προσθέστε έναν μαγνητικό δακτύλιο φερρίτη (μ r=1000) στο εξωτερικό στρώμα της γραμμής σήματος
Η διεπαφή βίντεο άλλαξε σε ψηφιακή διεπαφή DVI-D (με ισχυρή αντι-ικανότητα παρεμβολών για διαφορική μετάδοση)
Επικόλληση αγώγιμου καουτσούκ (αντίσταση όγκου μικρότερη ή ίση με 0,01 Ω· cm) στο διάκενο του κελύφους
Μετά την εφαρμογή, το σύστημα μπορεί να εμφανίζεται σταθερά κατά τη διάρκεια των εργασιών συγκόλλησης και το ποσοστό σφάλματος έχει μειωθεί από 10-3 σε 10-6.
Περίπτωση 2: Βελτιστοποίηση οθόνης αφής για έξυπνο εξοπλισμό παραγωγής
Η οθόνη αφής μιας συγκεκριμένης εργαλειομηχανής CNC άγγιξε κατά λάθος κατά την εκκίνηση του κινητήρα και το αποτέλεσμα της διάγνωσης είναι:
Πηγή παρεμβολής: Διακυμάνσεις μαγνητικού πεδίου που προκαλούνται από ξαφνικές αλλαγές στο ρεύμα του σερβοκινητήρα (50Hz και οι αρμονικές του)
Διαδρομή διάδοσης: Δημιουργήστε παρεμβολές κοινού τρόπου λειτουργίας μέσω της μεταλλικής δομής του ντουλαπιού
Διάλυμα:
Προσθέστε ένα φίλτρο τύπου π - στο τροφοδοτικό του τσιπ αφής (L=100 μ H, C=0.1 μ F)
Το ντουλάπι είναι κατασκευασμένο από μη-μαγνητικό ανοξείδωτο ατσάλι (μ r ≈ 1)
Προσθέστε επιθέματα μόνωσης μεταξύ της οθόνης αφής και του ντουλαπιού (τάση διάσπασης Μεγαλύτερη ή ίση με 10 kV)
Μετά την ανακαίνιση, η ευαισθησία αφής έχει αυξηθεί κατά τρεις φορές και το ποσοστό ψευδούς αφής μειώθηκε από 15% σε 0,5%.
