一, I tre elementi e il percorso di propagazione dell'interferenza elettromagnetica
La formazione di interferenze elettromagnetiche (EMI) richiede tre elementi contemporaneamente: fonte di interferenza, percorso di accoppiamento e apparecchiature sensibili. Negli ambienti industriali, le tipiche fonti di interferenza includono:
Invertitore: la corrente armonica (2-50kHz) generata dalla sua modulazione PWM viene condotta attraverso la linea di alimentazione, mentre il cavo di uscita forma un'antenna per irradiare onde elettromagnetiche ad alta frequenza (100kHz-30MHz).
Sistema motore: radiazione di scintilla elettrica generata dalla commutazione della spazzola (1-100 MHz), nonché fluttuazioni del campo magnetico causate da variazioni nella corrente dell'avvolgimento (50 Hz e relative armoniche).
Saldatrice: l'impulso elettromagnetico ad alta- intensità (0,1-10 MHz) generato durante il processo di saldatura ad arco può irradiarsi fino a decine di metri.
Dispositivi di comunicazione wireless: le bande di frequenza Wi-Fi/Bluetooth (2,4 GHz/5 GHz) si sovrappongono alle bande di frequenza sensibili dei circuiti di controllo LCD.
L'interferenza invade il sistema LCD attraverso i seguenti percorsi:
Accoppiamento conduttivo: utilizzando le linee di alimentazione e di segnale come portanti, l'interferenza viene iniettata direttamente nel circuito.
Accoppiamento delle radiazioni: le onde elettromagnetiche spaziali inducono una tensione di interferenza sul cablaggio o sui connettori del PCB attraverso gli effetti dell'antenna.
Accoppiamento ad impedenza comune: esiste un'impedenza comune nel circuito di terra, che provoca il flusso di corrente di interferenza tra i dispositivi.
2, Costruzione del sistema tecnologico di protezione
1. Design della schermatura: blocca la propagazione delle onde elettromagnetiche
Schermatura del guscio metallico: utilizzando un guscio in lega di alluminio o lamiera di acciaio zincato, con uno spessore maggiore o uguale a 1,5 mm per ottenere un'attenuazione efficace. Ad esempio, un produttore di strumenti chimici ha ottenuto un'efficienza di schermatura di oltre 40 dB nella banda di frequenza 30 MHz-1 GHz ottimizzando la struttura del guscio. I punti chiave della progettazione includono:
Continuità del corpo schermante: la larghezza dello spazio tra il guscio deve essere controllata entro 0,1 mm e per il collegamento elettrico devono essere utilizzati cuscinetti conduttivi o piastre a molla.
Controllo dell'apertura: i fori di dissipazione del calore adottano un design a nido d'ape, con un'apertura inferiore o uguale a λ/20 (dove λ è la lunghezza d'onda della frequenza di interferenza più alta).
Elaborazione della vetrina: utilizzare vetro conduttivo ITO (resistenza superficiale inferiore o uguale a 10 Ω/□) o schermatura in rete metallica, con una trasmissione della luce superiore o uguale all'85%.
Isolamento della schermatura interna: implementare la schermatura locale per i moduli dei circuiti sensibili:
Chip di controllo principale: utilizzo di copertura schermante in lamina di rame, resistenza di messa a terra inferiore o uguale a 10 m Ω.
Modulo di alimentazione: installa anelli magnetici attorno al convertitore CC-CC per sopprimere il rumore dell'interruttore.
Interfaccia del segnale: utilizza connettori schermati (come il tipo D-sub) e salda lo strato di schermatura a 360 gradi al piano di terra del PCB.
2. Tecnologia di filtraggio: soppressione delle interferenze condotte
Filtraggio dell'estremità di alimentazione: installare un filtro EMI sull'estremità di ingresso dell'alimentazione del display LCD, con i requisiti dei parametri tipici:
Perdita di inserzione: maggiore o uguale a 40 dB nella banda di frequenza 150 kHz-30 MHz
Corrente nominale: selezionare in base ai requisiti di carico, lasciando un margine del 20%.
Corrente di dispersione: inferiore o uguale a 1 mA (secondo lo standard di sicurezza IEC 60950)
Il caso di studio di uno strumento automobilistico mostra che dopo aver utilizzato un filtro LC a due-stadi, l'interferenza condotta sulla linea elettrica è diminuita da 45 dB μ V a 20 dB μ V.
Filtraggio della linea di segnale: per le linee di segnale video come RGB/LVDS, per il filtraggio viene utilizzata una combinazione di bobina di arresto in modalità comune (CMCC) e condensatore in modalità differenziale:
Induttanza CMCC: 100-1000 μH (selezionata in base alla frequenza del segnale)
Capacità differenziale: 0,1-1 μ F (condensatore di sicurezza tipo X2)
3. Ottimizzazione del sistema di terra
Strategia di messa a terra a punto singolo: nei circuiti a bassa-frequenza (f<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>10 MHz), viene adottato il design della scheda PCB multi-strato per stabilire un piano di massa completo:
Segmentazione del piano di terra: la terra digitale e la terra analogica sono collegate in un unico punto tramite un resistore da 0 Ω o sfere magnetiche.
Via di messa a terra: deve essere predisposto almeno un via di messa a terra con un diametro maggiore o uguale a 0,5 mm per pollice quadrato di PCB.
Controllo della resistenza di terra: assicurarsi che la resistenza di terra sia inferiore o uguale a 4 Ω attraverso le seguenti misure:
Aumentare il numero di elettrodi di terra (almeno 3)
Utilizzare un riduttore di resistenza (resistività inferiore o uguale a 5 Ω· m)
Controllare regolarmente la resistenza di terra (consigliato una volta ogni trimestre)
4. Design anti-interferenza PCB
Ottimizzazione del layout:
Instradamento del segnale chiave: la lunghezza delle linee del segnale clock e video deve essere controllata entro λ/20 (dove λ è la lunghezza d'onda del segnale).
Piano di alimentazione/terra: adottando una struttura della scheda a 4 strati (segnale di alimentazione di terra), il piano di potenza è strettamente accoppiato al piano di terra.
Disposizione del dispositivo: i circuiti analogici e i circuiti digitali sono disposti in zone separate con una spaziatura maggiore o uguale a 5 mm.
Specifiche di cablaggio:
Instradamento differenziale: mantenere la stessa lunghezza (errore inferiore o uguale a 50 mil), con una spaziatura pari al doppio della larghezza della linea.
Routing serpentino: utilizzato per la corrispondenza del ritardo del segnale di clock, con ampiezza maggiore o uguale a 3 volte la larghezza della linea e spaziatura maggiore o uguale a 5 volte la larghezza della linea.
Disposizione del condensatore di filtro: il condensatore ceramico da 0,1 μF è situato vicino al pin di alimentazione del chip (inferiore o uguale a 3 mm) e il condensatore al tantalio da 10 μF è disposto all'ingresso di alimentazione.
3, Analisi del caso applicativo tipico
Caso 1: Progettazione anti-interferenza di strumenti petrolchimici
Il display LCD di un certo sistema di monitoraggio del giacimento petrolifero mostrava una visualizzazione anomala durante le operazioni di saldatura. Dopo l'analisi è risultato che:
Sorgente di interferenza: impulso elettromagnetico 1-10 MHz generato dalla saldatrice
Percorso di propagazione: radiazione spaziale accoppiata alla linea del segnale video LCD
Soluzione:
Aggiungi un anello magnetico in ferrite (μ r=1000) sullo strato esterno della linea del segnale
Interfaccia video commutata sull'interfaccia digitale DVI-D (con forte capacità anti-interferenza per la trasmissione differenziale)
Incollare gomma conduttiva (resistività di volume inferiore o uguale a 0,01 Ω· cm) nell'interstizio del guscio
Dopo l'implementazione, il sistema può ancora visualizzare stabilmente durante le operazioni di saldatura e il tasso di errore è diminuito da 10 ⁻³ a 10 ⁻⁶.
Caso 2: ottimizzazione del touch screen per apparecchiature di produzione intelligenti
Il touch screen di una determinata macchina utensile CNC è stato toccato accidentalmente durante l'avvio del motore e il risultato della diagnosi è:
Sorgente di interferenza: fluttuazioni del campo magnetico causate da improvvisi cambiamenti nella corrente del servomotore (50 Hz e relative armoniche)
Percorso di propagazione: forma interferenze di modo comune attraverso la struttura metallica dell'armadio
Soluzione:
Aggiungi un filtro di tipo π - all'alimentazione del chip touch (L=100 μ H, C=0.1 μ F)
L'armadio è realizzato in acciaio inossidabile non-magnetico (μ r ≈ 1)
Aggiungere cuscinetti isolanti tra il touch screen e l'armadio (tensione di rottura maggiore o uguale a 10 kV)
Dopo la ristrutturazione, la sensibilità al tocco è stata aumentata di tre volte e la percentuale di falsi tocchi è stata ridotta dal 15% allo 0,5%.
