Что такое EMI ​​и почему это должно вас волновать?

Современные электронные устройства становятся все меньше, сложнее и работают на все более высоких частотах. Все это делает их более чувствительными к электромагнитным помехам (Electromagnetic Interference – EMI), то есть нежелательным излучаемым или проводимым сигналам, которые могут влиять на работу как собственных, так и соседних электронных схем.

EMI может вызывать ряд проблем — от незначительных сбоев в работе устройства до полного отказа системы. Поэтому крайне важно уже на этапе проектирования позаботиться о его устойчивости к помехам и ограничить излучение помех в окружающую среду.

Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы является электромагнитное экранирование. В этой статье мы подробно рассмотрим, как работает экранирование EMI на уровне печатной платы (PCB), почему это важно, как выбрать подходящие материалы и как спроектировать эффективные экраны EMC. Мы начнем с основ электромагнитных волн, а затем перейдем к конкретным методам проектирования и наиболее распространенным ловушкам.

Электромагнитные волны и их характеристики

Прежде чем приступать к проектированию, стоит понять, с чем именно мы имеем дело. Электромагнитные помехи — это не что иное, как электромагнитные волны, которые могут нарушать работу электронных систем — будь то за счет излучения от самого устройства или под воздействием окружающей среды.

Из чего состоит электромагнитная волна?

Электромагнитная волна (ЭМ) состоит из двух взаимосвязанных полей:

- электрического поля (E)

- магнитного поля (H)

Оба этих поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Представьте себе стрелу, летящую вправо: электрическое поле будет направлено «вверх и вниз», магнитное поле — «в стороны», а волна движется вперед.

Это взаимодействие полей E и H позволяет ЭМ волнам перемещаться в пространстве — в том числе в направлении вашей печатной платы, где они могут вызвать серьезные проблемы.

Импеданс электромагнитной волны (Z)

Каждая ЭМ волна характеризуется так называемым волновым сопротивлением (импедансом), которое определяет отношение напряженности электрического поля к магнитному.

В случае воздуха или вакуума импеданс составляет примерно 377 Ом (Ω). Это так называемый импеданс свободного пространства.

Знание этого значения позволяет нам понять, как волна будет вести себя при контакте с различными экранирующими материалами — что станет ключевым моментом в следующих главах.

Преимущественно электрические волны vs преимущественно магнитные волны

В зависимости от импеданса волны мы можем выделить два типа волн:

- Преимущественно электрические волны — имеют высокий импеданс (более 377 Ом). Обычно возникают в открытых пространствах или при длинных сигнальных проводах.

- Преимущественно магнитные волны — имеют низкий импеданс (менее 377 Ом). Обычно генерируются в непосредственной близости от источника, например, в трансформаторах, двигателях или импульсных блоках питания.

Почему это важно? Потому что разные типы волн по-разному взаимодействуют с экранирующими материалами. Для волн с высоким импедансом важны потери на отражение. Для волн с низким импедансом — потери на поглощение. Иными словами: не каждый экран EMC одинаково эффективен против любого вида помех.

Основы экранирования EMI на уровне PCB

Теперь, когда мы понимаем, что такое электромагнитные волны и как они распространяются, пришло время рассмотреть способы их контроля. Одним из наиболее эффективных и популярных решений является экранирование EMI на уровне печатной платы (PCB). Этот подход позволяет подавлять помехи в источнике — до того, как они распространятся или создадут помехи другим компонентам системы.

Что такое экранирующий корпус на уровне PCB?

Экраны PCB — это просто миниатюрный металлический корпус (часто в форме коробки или «крышки»), который закрывает определенную часть электронной схемы на плате. Технически это клетка Фарадея, задача которой:

- блокировать электромагнитные волны извне до того, как они достигнут чувствительных компонентов (например, аналоговых схем),

- ограничивать излучение помех от схемы — то есть удерживать «шумы» внутри источника.

На практике экранирование на уровне PCB защищает как вашу электронику, так и другие устройства вокруг нее.

Почему стоит использовать экранирование на уровне печатной платы?

- Защита чувствительных цепей — таких как усилители, аналоговые преобразователи, РЧ-цепи.

- Снижение излучения EMC — ключевой фактор для соответствия стандартам (например, CE, FCC).

- Локальное подавление помех — более эффективно, чем общий корпус для источников с высоким уровнем излучения.

Во многих случаях экранирование уже на этапе PCB позволяет избежать более дорогостоящих решений на уровне всего корпуса устройства — что означает меньшие затраты и более простой проект.

Эффективность экранирования (Shielding Effectiveness – SE)

Чтобы оценить, насколько хорошо работает экран, используется параметр, называемый эффективностью экранирования (SE). Он выражается в децибелах (дБ) и описывает, на сколько децибел уменьшилась напряженность электромагнитного поля благодаря применению экрана PCB.

SE=20log₁₀(E_без/E_с)

Где:

- Eбез — напряженность поля до установки экрана,

- Eс — напряженность поля после установки экрана.

Пример: SE = 40 дБ означает, что экран ослабляет волны в 100 раз (по амплитуде) или в 10 000 раз по мощности.

Что влияет на SE?

Эффективность экранирования зависит от многих факторов:

- материала корпуса,

- толщины корпуса,

- типа ЭМ волны (электрическая vs магнитная),

- наличия отверстий и негерметичности,

- частоты сигнала.

SE является комплексной величиной — и именно поэтому в следующих главах мы подробно разберем механизмы работы экранов и выбор материалов.

Механизмы работы экранирующих корпусов EMI

Для эффективного проектирования экранирования EMC недостаточно просто знать уровень эффективности в децибелах. Нужно понимать, как физически работают экранирующие корпуса EMI — то есть какие явления происходят, когда электромагнитная волна встречает препятствие. В игру вступают три основных механизма: отражение, поглощение и пропускание.

Отражение – первый уровень защиты

Когда ЭМ волна попадает на проводящий материал (например, медь), значительная часть энергии просто отражается. Это происходит потому что:

- электрическое поле не может проникать внутрь идеального проводника (E = 0),

- магнитное поле вызывает вихревые токи (индуцированные), которые создают поле, противодействующее его изменениям (правило Ленца).

По этой причине:

- преимущественно электрические волны (высокий импеданс) эффективно подавляются за счет отражения,

- но преимущественно магнитные волны (низкий импеданс) легче проникают через тонкие слои — поэтому здесь одного эффекта отражения может быть недостаточно.

Поглощение – вторая линия обороны

Часть энергии, которая не была отражена, попадает внутрь защиты. Тогда появляется второй механизм: поглощение, то есть преобразование энергии ЭМ поля в тепло. Это происходит в основном благодаря:

- вихревым токам (eddy currents),

- диэлектрическим потерям (если материал не является идеальным проводником).

Степень поглощения зависит от нескольких факторов:

- материала (например, сталь лучше поглощает магнитное поле, чем медь),

- толщины слоя — в соотношении с глубиной проникновения (skin depth),

- частоты сигнала — чем она выше, тем меньше глубина проникновения, а значит, тем лучше поглощение тонким экраном.

Стоит знать: Для магнитной волны поглощение имеет большее значение, чем отражение, особенно на низких частотах.

Пропускание – то, что «просачивается»

К сожалению, ни одна защита не идеальна. Часть энергии проходит дальше — это так называемое пропускание (трансмиссия), то есть остаточная волна, прошедшая через барьер. Цель проектировщика:

- минимизировать пропускание путем правильного подбора материала и толщины,

- уменьшить любые утечки, через которые может выйти энергия EMI.

Когда важно отражение, а когда поглощение?

Какой механизм экранирования имеет большее значение — отражение или поглощение — зависит от характера электромагнитной волны, то есть от того, доминирует ли в ней электрическое или магнитное поле. Ключевым параметром, определяющим это, является импеданс электромагнитной волны.

Если волна имеет высокий импеданс, близкий к 377 Ом (импеданс вакуума), это означает, что доминирующим компонентом является электрическое поле. В таком случае главную роль в экранировании играет отражение — так как электрическое поле очень легко отражается от хорошо проводящих поверхностей. Поэтому для подавления такого рода волн лучше всего подходят материалы с высокой проводимостью, такие как медь или алюминий.

В свою очередь, когда волна имеет низкий импеданс (значительно меньше 100 Ом), это означает, что преобладает магнитный компонент. В таких случаях отражение менее эффективно, так как магнитное поле легче проникает сквозь тонкие проводники. Здесь на помощь приходит второй механизм — поглощение, то есть поглощение энергии волны внутри материала. Чтобы этот механизм работал эффективно, нужны материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как сталь, железо, а в некоторых случаях даже специальные ферритовые композиты.

На практике многие реальные источники помех излучают волны сложного характера — ни чисто электрические, ни чисто магнитные. Поэтому в большинстве приложений проектировщики используют смешанный подход: комбинируют механизмы отражения и поглощения, подбирая материалы так, чтобы экранирование было эффективным в широком диапазоне частот и типов помех.

Если вы не знаете, с какой волной имеете дело — предположите, что вам нужны оба механизма. Поэтому на практике часто используются композитные материалы или многослойные экраны.

Выбор материала экрана EMI – сравнение и рекомендации

Выбор материала для экранирования EMI — это не только вопрос цены и доступности, но прежде всего его физических свойств: электропроводности, магнитной проницаемости и толщины слоя. Каждый материал ведет себя по-разному в зависимости от частоты помех и доминирующего типа поля (электрического или магнитного), что напрямую влияет на эффективность экранирования.

Медь – золотой стандарт экранирования

Медь — наиболее часто выбираемый материал для экранирования EMI, и на то есть причины. Ее очень высокая электропроводность делает ее отличным отражателем волн с высоким импедансом (с преобладанием электрического поля). Благодаря этому она отлично подходит для экранирования радиочастотных цепей, высокочастотных сигналов и общих излучений с печатной платы. Медь также относительно легко обрабатывается и хорошо крепится к поверхности плат.

Стоит помнить: медь не идеальна для подавления сильных магнитных полей низкой частоты — в таких случаях требуется материал с более высокой магнитной проницаемостью.

Сталь – когда доминируют магнитные помехи

Сталь (а именно — мягкая низкоуглеродистая сталь) превосходна в подавлении магнитного поля, особенно в низкочастотном диапазоне. Это происходит благодаря ее высокой магнитной проницаемости, которая позволяет поглощать энергию поля H внутри материала. В связи с этим сталь отлично подходит в качестве экрана вокруг трансформаторов, двигателей, кабелей питания и других источников магнитных помех.

Ее недостатком является больший вес и более низкая электропроводность по сравнению с медью, из-за чего она менее эффективно отражает электрические волны — поэтому чаще всего ее используют в сочетании с другими материалами (например, никелированная сталь или медеплакированная сталь).

Латунь – компромиссный выбор

Латунь, как сплав меди и цинка, предлагает компромисс между стоимостью, проводимостью и механическими свойствами. Она имеет чуть более низкую проводимость, чем чистая медь, но при этом обладает большей коррозийной стойкостью и жесткостью. Подходит для общего экранирования, особенно в механически требовательных приложениях — например, в промышленных корпусах или экранах сложной формы.

Проектирование экранирования EMC с учетом щелей и отверстий

В практических приложениях корпус редко представляет собой идеально однородную поверхность. В реальных конструкциях PCB и их корпусах всегда присутствуют щели, апертуры, технологические швы или вентиляционные отверстия. Хотя они часто необходимы по конструктивным соображениям, они могут значительно снизить эффективность экранирования.

Влияние щелей (швов, отверстий) на эффективность экранирования

Каждая щель в экране является потенциальным местом, через которое электромагнитные волны могут проникнуть — как внутрь защищаемого пространства, так и наружу. Эффективность экранирования в таких случаях падает, особенно на высоких частотах, где даже небольшие щели могут работать как щелевые антенны.

Щели в экране могут вызывать:

- Утечку волн — особенно на высоких частотах, где длина волны сопоставима с размерами отверстия или меньше их.

- Резонанс — отверстие может начать резонировать на определенных длинах волн, увеличивая пропускание сигнала.

Частота отсечки – что это такое и как ее рассчитать

Понятие частоты отсечки (cutoff frequency) относится к максимальной частоте, при которой данное отверстие или щель еще эффективно подавляет ЭМ волны. Выше этой частоты экранирование становится неэффективным.

Для прямоугольного отверстия в экране приблизительную частоту отсечки можно оценить по формуле:

f_c ≈ 15 / d

Где:

- f_c — частота отсечки в ГГц

- d — самый длинный размер отверстия в сантиметрах

Например: отверстие длиной 2 см пропускает волны с частотой выше ок. 7,5 ГГц.

Хорошие практики: максимальные размеры отверстий vs длина волны

Чтобы отверстия не ухудшали экранирование, их размеры должны быть значительно меньше длины волны, желательно менее λ/20. Для частоты 1 ГГц (длина волны ок. 30 см) максимальный диаметр отверстия должен составлять менее 1,5 см.

Хорошие практики проектирования включают:

- избегание длинных щелей,

- использование контактных прокладок и точек заземления (stitching vias),

- экранирование щелей с помощью проводящих материалов (например, уплотнений EMI),

- локальное уплотнение ключевых точек входа/выхода сигналов.

Практические советы по проектированию для PCB

Экранирование EMI не должно рассматриваться как дополнение на финальном этапе проекта. Напротив — наилучшие результаты достигаются тогда, когда защита от электромагнитных помех является неотъемлемой частью процесса проектирования печатной платы с самого начала.

Почему стоит планировать экранирование уже на этапе проекта?

Проектируя PCB без мыслей об EMI, легко попасть в ловушку «реактивного» подхода — сначала проектируем схему, а только после тестов добавляем экранирование там, где возникла проблема. К сожалению, такие действия обходятся дорого, часто требуют перепроектирования и редко обеспечивают полную эффективность.

Заблаговременное планирование экранирования позволяет:

- оптимизировать трассировку сигналов и размещение компонентов,

- подобрать подходящую структуру слоев (например, слой земли как экран),

- минимизировать токовые петли и связи между цепями,

- предусмотреть физическое место для металлических крышек или экранирующей фольги EMC,

- ограничить дорогостоящие исправления на поздних этапах.

Готовые решения от производителей

На рынке представлено множество готовых решений, которые упрощают внедрение экранирования EMI без необходимости проектировать все с нуля. К ним относятся:

- экраны под пайку (shield cans) — доступны в различных размерах, с возможностью использования рамок для SMT-монтажа,

- уплотнения EMI — проводящие элементы, устанавливаемые вдоль краев защитных экранов или корпусов для обеспечения электрического контакта,

- экранирующие фольги и ленты — для временного или гибкого экранирования выбранных областей,

- композитные материалы — для экранирования пластиковых корпусов.

Выбор конкретного решения зависит от свободного места на плате, типа угроз EMI, простоты монтажа и стоимости производства.

Затраты vs эффективность – как оптимизировать проект

При проектировании экранирования EMI важно найти баланс между стоимостью и эффективностью. Чрезмерное экранирование (например, полные металлические клетки для всей платы) увеличивает вес, стоимость производства и сложность сборки — часто без пропорциональной выгоды.

С другой стороны, слишком экономный подход (например, полагаться только на фильтры или слой земли) может быть недостаточным в средах с высоким уровнем помех.

Оптимизация включает:

- использование экранирования только там, где это обосновано (например, вокруг источников или «жертв» EMI),

- использование существующих элементов (например, корпуса как части экрана),

- выбор эффективных материалов (медь там, где важно отражение; сталь, где важна абсорбция),

- использование недорогих серийных компонентов экранирования от надежных поставщиков.

Итоги – выводы для проектировщика электроники

Электромагнитные помехи (EMI) представляют собой серьезный вызов при проектировании современной электроники. Их присутствие может не только ухудшить работу устройств, но и сделать их правильную эксплуатацию невозможной. Поэтому экранирование на уровне печатной платы является не просто разумным, а необходимым элементом проектирования.

Основные выводы и практики:

- EMI — это проблема, с которой нужно бороться уже на этапе проектирования. Не стоит ждать финальных тестов, чтобы добавить экранирование — планирование защиты на уровне PCB дает наибольшие преимущества и минимизирует затраты.

- Знание характеристик электромагнитных волн (компоненты E и H, импеданс волны) позволяет осознанно выбирать методы и материалы для экранирования.

- Эффективность экранирования зависит от механизма действия: отражения, поглощения и пропускания волны. Важно понимать, когда доминирует отражение (электрические волны), а когда поглощение (магнитные волны), чтобы правильно подбирать материалы (например, медь, сталь, латунь).

- Проектирование экранов EMI требует учета таких деталей, как щели, швы или отверстия. Их размер и расположение должны соответствовать длине волны, чтобы не снижать эффективность экранирования.

- Выбор материалов и готовых решений должен балансировать между стоимостью и эффективностью. Часто не требуются полные металлические корпуса — достаточно грамотного использования экранов на уровне PCB и правильного размещения элементов.

- Готовые компоненты и технологии (например, экраны под пайку, фольги EMC, уплотнения) упрощают внедрение и ускоряют процесс производства.

- В конечном итоге эффективное экранирование на уровне печатной платы часто оказывается более результативным и экономичным, чем попытки исправить EMI только на уровне корпуса.

Внедрение последовательных, продуманных практик проектирования в области защиты от EMI позволяет не только соответствовать нормам и сертификатам, но прежде всего обеспечивает стабильную и надежную работу устройств в сложных электромагнитных условиях.

Источники:

1. Paul, C. R. – Introduction to Electromagnetic Compatibility. Комплексное введение в вопросы электромагнитной совместимости, идеально для проектировщиков электроники.

2. Ott, H. W. – Electromagnetic Compatibility Engineering. Практическое руководство по методам проектирования и тестирования систем, устойчивых к EMI.

3. Pozar, D. M. – Microwave Engineering. Книга, рассматривающая в том числе основы распространения электромагнитных волн и импеданс, очень полезна для понимания физики EMI.

4. Нормы и директивы EMC (например, CISPR, EN 55032). Официальные документы, регулирующие требования к излучению и устойчивости электроники.

5. Технические материалы производителей экранирующих материалов (например, 3M, Laird, TC Shielding, TEMAS). Подробные данные о свойствах различных материалов для экранирования EMI и примеры их применения.