Elektromagnetická kompatibilita (EMC) a Elektromagnetická interferencia (EMI), bežne označovaná ako elektromagnetické rušenie, sú fundamentálne koncepty v elektrotechnike a pri regulačnej certifikácii. Podľa Smernice EÚ o EMC (2014/30/EÚ) musia byť všetky elektrické a elektronické zariadenia (EEZ) predávané v Európskom hospodárskom priestore elektromagneticky kompatibilné.
EMC je definovaná dvoma vzájomne prepojenými požiadavkami:
- Emisie (EMI): Zariadenie nesmie generovať elektromagnetickú energiu (vyžarovanú alebo vedenú), ktorá by rušila zamýšľanú prevádzku rádiových, telekomunikačných alebo iných zariadení.
- Imunita (Odolnosť): Zariadenie musí mať inherentnú úroveň odolnosti voči elektromagnetickým rušivým vplyvom prítomným v jeho zamýšľanom prostredí (napr. elektrostatický výboj, RF polia, napäťové rázy), aby mohlo fungovať bez neprípustného zhoršenia výkonu.
Fyzika EMI
EMI je jednoducho nežiaduca elektromagnetická energia. Na to, aby k rušeniu došlo, musia byť prítomné tri prvky:
- Zdroj: Generátor šumu (napr. spínaný zdroj napájania, rýchle digitálne hodiny, jednosmerný motor s kefami).
- Väzobná cesta: Médium prenášajúce šum. Môže ísť o vedenú väzbu (šíriacu sa cez fyzické vodiče a napájacie káble), vyžarovanú (šíriacu sa voľným priestorom vo forme elektromagnetických vĺn), kapacitnú (väzba elektrického poľa medzi susednými cestami) alebo induktívnu (väzba magnetického poľa medzi prúdovými slučkami).
- Obeť: Prijímač šumu (napr. citlivý analógovo-digitálny prevodník, netienený komunikačný kábel, kardiostimulátor).
V návrhu hardvéru je cieľom inžinierstva EMC odstrániť buď zdroj (napr. spomalením nábežných hrán signálu), prerušiť väzobnú cestu (napr. pridaním tienenia alebo filtrovania), alebo urobiť obeť odolnejšou.
Kľúčové testovacie normy (EN / IEC)
Aby výrobcovia preukázali zhodu a mohli pripojiť označenie CE (CE Mark), musia svoje produkty otestovať podľa harmonizovaných noriem v akreditovanom EMC laboratóriu (často v bezodrazovej - anechoickej komore). Medzi bežné normy patria:
- EN 55032 (Emisie): Aplikuje sa na multimediálne zariadenia. Stanovuje presné limity pre vyžarované emisie (merané v dBµV/m pomocou antén) aj pre vedené emisie (merané na sieti striedavého prúdu cez sieť LISN) naprieč definovanými frekvenčnými spektrami (zvyčajne od 30 MHz do 6 GHz pre vyžarované).
- EN 55035 (Imunita): Sprievodná norma pre odolnosť multimediálnych zariadení. Zahŕňa niekoľko podtestov definovaných sériou noriem IEC 61000-4-x:
- ESD (IEC 61000-4-2): Elektrostatický výboj (napr. ±4 kV kontaktný, ±8 kV vzduchom). Simuluje dotyk človeka.
- Vyžarovaná imunita (IEC 61000-4-3): Ožarovanie zariadenia vysokofrekvenčnými poľami (napr. 3 V/m od 80 MHz do 1 GHz).
- EFT / Burst (IEC 61000-4-4): Rýchle elektrické prechodné javy na napájacích a signálnych linkách. Simuluje šum zo spínania relé.
- Surge (Prepätie) (IEC 61000-4-5): Vysokoenergetické napäťové špičky, ktoré simulujú nepriame údery blesku.
Návrh zohľadňujúci EMC: Architektonický imperatív
Pokus o “opravu” EMC počas záverečnej testovacej fázy pred uvedením na trh je najčastejšou a najdrahšou chybou vo vývoji elektroniky. Pridávanie nacvakávacích feritových perličiek na káble alebo vodivých náterov do plastových krytov je symptómom zlyhania architektúry.
EMC musí byť navrhnutá do produktu od momentu tvorby schémy:
- Stackup a uzemnenie PCB (Grounding): Absolútny základ EMC. Súvislá, neprerušená zemniaca plocha bezprostredne susediaca s vrstvami s vysokorýchlostnými signálmi znižuje plochu slučky (a tým aj vyžarovanú indukčnosť) na úroveň blížiacu sa k nule. Spätné prúdy si hľadajú cestu najmenšej impedancie, nie najmenšieho odporu.
- Kontrola hrán signálu: Rýchle časy nábehu a dobehu (tr, tf) obsahujú vysokofrekvenčné harmonické zložky (
f ≈ 0.35 / tr). Použitie sériových zakončovacích (terminačných) rezistorov tlmí zákmity a spomaľuje hrany bez dopadu na logické úrovne zariadenia. - Sieť rozvodu napájania (PDN): Strategické umiestnenie oddeľovacích (decoupling) kondenzátorov (optimalizované na minimalizáciu ekvivalentnej sériovej indukčnosti - ESL) poskytuje lokálnu vysokofrekvenčnú energiu a zabraňuje šíreniu spínacieho šumu po doske.
- Filtrovanie rozhraní: Všetky vstupné body (káble, konektory) vyžadujú ochranu. Tlmivky so súhlasným zapojením (Common-mode chokes) a diódy na potlačenie napäťových špičiek (TVS) musia byť umiestnené hneď za konektorom, aby sa prechodné javy odviedli do uzemnenia šasi ešte predtým, ako zasiahnu citlivé jadro elektroniky.
Prístup Inovasense k EMC
V Inovasense považujeme EMC za primárne architektonické obmedzenie a vstupný bod v rámci našej vývojovej metodiky V-Modelu. Vykonávame predbežnú parazitnú extrakciu a analýzu integrity vysokorýchlostných signálov. Čo je mimoriadne kľúčové, na prvých funkčných prototypoch vykonávame pre-compliance (predbežný) screening s využitím sond blízkeho poľa (near-field probes) a spektrálnych analyzátorov. Vďaka tomu identifikujeme a eliminujeme 80 % problémov s emisiami celé týždne pred začiatkom drahej, certifikačnej laboratórnej fázy, čím našim klientom garantujeme plynulú cestu k označeniu CE a bezproblémovému nábehu sériovej výroby.