چالش در حال تحول تداخل الکترومغناطیسی در الکترونیک مدرن

امروزه الکترونیک با مشکلات تداخل الکترومغناطیسی مواجه است که در چند سال گذشته به‌طور قابل توجهی بدتر شده‌اند. مطالعات انجام‌شده در سال 2023 نشان می‌دهند که این مشکلات از سال 2018 حدود 47٪ افزایش یافته است، عمدتاً به این دلیل که دستگاه‌ها در حالی که کوچک‌تر می‌شوند، امکانات بی‌سیم بیشتری نیز در خود جای می‌دهند. این وضعیت تنها با گسترش همه‌جانبه فناوری 5G، ورود دستگاه‌های هوشمند به زندگی روزمره و کارکرد منابع تغذیه در فرکانس‌های بالاتر از هر زمان دیگری بدتر شده است. تمام این عوامل به این معنی است که طراحان امروزه باید توجه جدی به فیلتر کردن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در هنگام طراحی محصولات جدید داشته باشند.

درک تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در دستگاه‌های الکترونیکی

تداخل الکترومغناطیسی زمانی رخ می‌دهد که تشعشعات الکترومغناطیسی عملکرد یک دستگاه را مختل کند و منجر به اعوجاج سیگنال، خرابی داده یا حتی خرابی کامل سیستم شود. دو دسته اصلی تداخل الکترومغناطیسی وجود دارد:

• منابع طبیعی : تشعشعات کیهانی، پرتابه‌های خورشیدی و تخلیه‌های جوّی
• منابع مصنوعی : منابع تغذیه سوئیچینگ، فرستنده‌های بی‌سیم و مدارهای دیجیتال با سرعت بالا

هزینه جهانی خرابی تجهیزات ناشی از تداخل الکترومغناطیسی (EMI) سالانه بیش از 740 میلیارد دلار است (موسسه پونمون، 2023)، که ضرورت اقدامات مؤثر کاهش آن را نشان می‌دهد.

تداخل الکترومغناطیسی هدایت‌شده و تشعشعی در منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ مدرن با دو چالش EMI مواجه هستند:

نوع EMI	مسیر انتقال	محدوده فرکانس	روش‌های رایج کاهش
تداخل الکترومغناطیسی هدایت‌شده	خطوط برق/زمین	150 کیلوهرتز - 30 مگاهرتز	سوکت‌های فریتی
تلفات الکترومغناطیسی تشعشعی	میدان‌های الکترومغناطیسی	30 مگاهرتز - 1 گیگاهرتز	درپوش‌های محافظ شیلدینگ

مطالعات اخیر نشان می‌دهد که 68 درصد از خرابی‌های منبع تغذیه ناشی از فیلتر کردن ناکافی تداخل الکترومغناطیسی (تحقیقات فیلتر فعال یکپارچه، 2023) است، به ویژه در طراحی‌های فشرده که نزدیکی قطعات خطر تداخل را افزایش می‌دهد.

تأثیر الکترونیک با چگالی توان بالا بر چالش‌های تداخل الکترومغناطیسی

تمایل به دستگاه‌های کوچک‌تر و قدرتمندتر، چگالی توان را از سال 2015 تاکنون 300 درصد افزایش داده است و این امر سه چالش حیاتی در زمینه تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کرده است:

1. فضای فیزیکی کاهش‌یافته برای قطعات فیلتر سنتی
2. بارهای حرارتی بالاتر که مشخصات مواد را تغییر می‌دهند
3. افزایش خازنهای پارازیتیک در مدارهای فشرده

این محیط EMI که به دلیل تراکم افزایش یافته است، نیازمند راهکارهای نوآورانه‌ای مانند قطعات غیرفعال جاسازی‌شده و الگوریتم‌های فیلتر کردن تطبیقی است تا صحت سیگنال حفظ شود بدون آنکه عملکرد کاهش یابد.

پیشرفت‌ها در فناوری نیمهرسانا و یکپارچه‌سازی فیلتر EMI

چگونه کوچک‌تر شدن اندازه گره‌ها باعث افزایش حساسیت نیمهرساناها به EMI می‌شود

فشردن گره‌های نیمهرسانا به مقیاس زیر ۱۰ نانومتر مشکلات غیرمنتظره‌ای در زمینه تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کرده است. وقتی این اجزای بسیار کوچک به این نزدیکی یکدیگر قرار می‌گیرند، خواص الکتریکی آنها رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهند. خازنهای انحرافی بین آنها شروع به عمل کردن مانند آنتن‌های کوچک می‌کنند، در حالی که اتصالات القایی در فرکانس‌های بالا به تقویت‌کننده‌های نویز تبدیل می‌شوند. طبق تحقیقات منتشر شده سال گذشته توسط جامعه EMC آی‌تری‌اف‌ئی، کوچک‌تر کردن زیر ۲۸ نانومتر باعث می‌شود مدارها حدود ۲۰٪ مستعدتر به مشکلات EMI شوند، زیرا فضای کمتری برای حاشیه خطای وجود دارد و همه چیز بسیار سریع‌تر روشن و خاموش می‌شود. تولیدکنندگان اکنون مجبورند فیلترهای تخصصی EMI را در این تراشه‌های فوق‌العاده فشرده قرار دهند تا از ایجاد مشکلات سیگنالی جلوگیری کنند. برخی از متخصصان معتقدند این شاید دلیلی باشد که امروزه تأکید بیشتری بر روی راهکارهای بسته‌بندی دیده می‌شود.

روندهای صنعتی در راهکارهای نیمهرسانا برای کاهش EMI

امروزه تولیدکنندگان به‌طور فزاینده‌ای به سیستم‌های کاهش EMI با بسته‌بندی مشترک روی می‌آورند که در آن مواد پیشرفته فیلتر کردن همراه با رویکردهای هوشمند چیدمان ترکیب شده‌اند. بر اساس تحقیقات اخیر بازار در سال 2024، حدود دو سوم از مدارات مجتمع جدید مدیریت توان، دارای قابلیت مهار EMI درونی هستند. این رقم نسبت به بیش از ۴۰ درصد در سال 2020 افزایش چشمگیری محسوب می‌شود. طراحی‌های جدید کنترلرها حتی فراتر رفته و فناوری حذف فعال نویز را در خود جای داده‌اند. این راه‌حل‌های یکپارچه توانسته‌اند تداخل را در مقایسه با قطعات سنتی جداگانه حدود ۱۵ دسی‌بل کاهش دهند و در عین حال تنها حدود ۳۰ درصد فضای کمتری روی برد مدار اشغال کنند. برای مهندسانی که در شرایط محدودیت فضایی کار می‌کنند، این موضوع پیشرفتی واقعی در تعادل بین عملکرد و اندازه فیزیکی محسوب می‌شود.

ادغام فیلتر کاهش EMI درون تراشه‌های نیمهرسانا

سه استراتژی کلیدی در حال تغییر دادن نحوه پیاده‌سازی فیلترهای EMI هستند:

1. شبکه‌های غیرهمبسته روی تراشه با استفاده از مواد دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک بالا
2. معماری‌های متعادل‌کننده جریان در منظم‌کننده‌های ولتاژ
3. تطابق امپدانس تطبیقی برای تضعیف انتخابی فرکانس

این رویکردهای یکپارچه، اتلاف ناخواسته را به میزان 45%نسبت به فیلترهای خارجی سنتی EMI کاهش می‌دهند، در حالی که همچنان با استانداردهای انتشار FCC بخش 15 کلاس B سازگاری حفظ می‌شود. با این حال، مدیریت حرارتی در طراحی‌هایی که مؤلفه‌های فیلتر در یک زیرساخت سیلیکونی با ترانزیستورهای توان بالا قرار دارند، همچنان چالش‌برانگیز است.

کوچک‌سازی و نوآوری در طراحی در توسعه فیلترهای EMI

کوچک‌سازی فیلترهای EMI و طراحی‌های صرفه‌جویی در فضا در برد مدار چاپی مدرن

الکترونیک مدرن اکنون نیازمند فیلترهای EMI است که 68٪ فضای کمتری نسبت به طراحی‌های 2019 روی برد مدار چاپی اشغال کنند، که این امر ناشی از تقاضاهای زیرساخت 5G و محدودیت‌های دستگاه‌های پوشیدنی است. خازن‌های سرامیکی چندلایه با عملکردهای فیلتر یکپارچه، تعداد مؤلفه‌ها را تا 40٪ کاهش می‌دهند، در حالی که همچنان تا 60 دسی‌بل سر و صدای فرکانس 100 مگاهرتز را تحت فشار قرار می‌دهند.

پیشرفت های علمی مواد که فیلترهای کوچک EMI را امکان پذیر می کند

مواد هسته ای نانوکریستالین نسبت به فرایت های سنتی 92٪ افزایش تراکم جریان را به دست می آورند و بدون قربانی ثبات حرارتی، اثر فلتر 3 میلی متر مربع را امکان پذیر می کنند. پیشرفت های اخیر در کامپوزیت های پلیمر رسانا اکنون تداخل 0.16GHz را با بهره وری 85٪ در پیکربندی های ضخیم 1.2 میلی متر سرکوب می کنند.

تعادل بین کاهش اندازه و کارایی فیلتر

کوچک کردن ابعاد فیلتر معمولاً ظرفیت انگل را 1525% افزایش می دهد و نیاز به شبکه های تطبیق معاوضات نوآورانه دارد. طراحان با:

• لایه های محافظ فرکانس انتخابی
• مدارهای خنک کننده سازگاری
• تکنیک های پیچ و خم 3D

مطالعه موردی: فیلترهای EMI کوچک در الکترونیک مصرفی پوشیدنی

یک پیاده سازی اخیر ساعت هوشمند نشان می دهد فیلترهای EMI 2.8mm3 باعث کاهش صداهای سوئیچ از ماژول های PMIC با 73dBμV / m برآورده کردن الزامات EN 55032 کلاس B در حالی که 35٪ فضای کمتر از نسل های قبلی را مصرف می کنند.

فیلترهای فعال در مقابل غیرفعال EMI: عملکرد، پیچیدگی و موارد استفاده

تفاوت‌های اساسی بین فیلترهای EMI فعال و غیرفعال

فیلترهای EMI به دو نوع اصلی فعال و غیرفعال تقسیم می‌شوند و هر کدام به شیوه‌ای کاملاً متفاوت با تداخل الکترومغناطیسی مقابله می‌کنند. فیلترهای غیرفعال با ترکیب مقاومت‌ها، خازن‌ها و سیم‌پیچ‌ها عمل کرده و فرکانس‌های ناخواسته را مسدود می‌کنند. نکته مثبت در مورد آن‌ها این است که برای کارکرد نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند. اما فیلترهای فعال کاملاً متفاوت هستند. این فیلترها از تقویت‌کننده‌های عملیاتی (op-amps) استفاده می‌کنند و برای مقابله فعال با سیگنال‌های نویز به برق خارجی نیاز دارند. طبق آزمایش‌های انجام‌شده در سال گذشته، تفاوت‌های مهم زیادی بین این دو روش وجود دارد که ارزش توجه دارد.

ویژگی	فیلترهای فعال	فیلترهای غیرفعال
نیازمندی‌های توان	بله	خیر
محدوده فرکانس	بهینه‌سازی شده برای فرکانس‌های پایین	موثر در فرکانس‌های بالا
بهره سیگنال	امکان تقویت سیگنال	تنها تضعیف سیگنال
هزینه	۱۵ تا ۳۰ درصد بالاتر	هزینه اولیه کمتر

فیلترهای EMI فعال در طراحی منبع تغذیه برای حذف نویز

در شرایط پیچیده تغذیه برق که حذف کردن نویزهای ناخواسته اهمیت زیادی دارد، فیلترهای فعال واقعاً برجسته می‌شوند. این فیلترها کمی شبیه به همان هدفون‌های پیشرفته ضد نویز هستند که امروزه همه آن‌ها را می‌شناسیم، اما به جای امواج صوتی، با سیگنال‌های الکتریکی سروکار دارند. نحوه عملکرد این فیلترها شامل ارسال سیگنال‌هایی با فاز معکوس است که در واقع نویز را خنثی می‌کنند. شرکت‌های بزرگ فعال در این حوزه اخیراً الگوریتم‌های هوشمند تطبیقی را مستقیماً در مدارهای مجتمع خود گنجانده‌اند. این امر طبق گزارش‌های متعدد، منجر به کاهش حدود نیمی از فضای فیزیکی مورد نیاز برای فیلترهای خارجی شده است و در عین حال تمامی موارد را در چارچوب مقررات FCC Part 15B برای سازگاری الکترومغناطیسی حفظ می‌کند.

سیستم‌های فیلتر کردن تطبیقی EMI در زمان واقعی با استفاده از کنترل فیدبک

فیلترهای فعال مدرن از نظارت بلادرنگ بر امپدانس و پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) برای تنظیم پارامترهای فیلتر کردن در عرض میکروثانیه استفاده می‌کنند. این قابلیت در رباتیک صنعتی و زیرساخت‌های 5G حیاتی است، جایی که پروفایل تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به سرعت تغییر می‌کند. به عنوان مثال، سیستم‌های تطبیقی قادرند نویزهای گذرا بیش از 80 دسی‌بل میکروولت را بدون به خطر انداختن یکپارچگی سیگنال، سرکوب کنند.

تحلیل اختلاف نظر: آیا فیلترهای فعال ارزش پیچیدگی اضافی خود را دارند؟

فیلترهای فعال باعث کاهش تعداد قطعات مورد نیاز در برد مدارهای متراکم می‌شوند، اما قیمت آن‌ها حدود ۱٫۵ تا ۲ برابر گزینه‌های جایگزین است که این امر بحث‌های زیادی میان مهندسان ایجاد کرده است. هنوز بسیاری از افراد معتقدند که گزینه‌های غیرفعال برای حدود هفت مورد از هر ده کاربرد تجاری در فرکانس‌های زیر ۵۰۰ کیلوهرتز مناسب عمل می‌کنند. از سوی دیگر، طرفداران به مزایای بلندمدت اشاره می‌کنند. تحقیقات اخیر از سال گذشته نشان داده است که خودروهای مجهز به سیستم‌های پیشرفته کمک راننده، هنگام استفاده از این تکنیک‌های ویژه سرکوب EMI، ۲۲ درصد مشکل کمتری در عمل داشته‌اند. در نهایت، این موضوع به این بستگی دارد که آیا عملکرد بهتر ارزش درگیر شدن با طراحی‌های پیچیده‌تر را دارد یا خیر و این امر بسته به پروژه خاصی که در حال بررسی آن هستیم، متفاوت است.

یکپارچه‌سازی سطح سیستم فیلترهای EMI در کاربردهای 5G و فرکانس بالا

یکپارچه‌سازی فیلترهای EMI در طراحی‌های سیستم برای یکپارچگی سیگنال

سیستم‌های جدید 5G واقعاً نیازمند فیلترهای EMI با طراحی خاص هستند تا بتوانند سیگنال‌ها را در تمام این مدارهای شلوغ، پاک نگه دارند. بر اساس برخی تحقیقات صنعتی در سال 2024، حدود 8 مورد از هر 10 مشکل دستگاه‌های RF در 5G به دلیل برنامه‌ریزی ضعیف EMC در هنگام مونتاژ کل سیستم رخ می‌دهد. امروزه مهندسان بر روی این تنظیمات چندمرحله‌ای فیلتر تمرکز کرده‌اند، زیرا آن‌ها هم مسائل مربوط به فرکانس‌های پایین (تا حدود 30 مگاهرتز) و هم نویزهای فرکانس بالا بالای 1 گیگاهرتز، که به ویژه برای پردازنده‌های پایه‌ای قدرتمند مهم است، را هدف قرار می‌دهند. این امر در عمل به این معناست که خطاهای بیتی در این تنظیمات ارتباطی mmWave بین 40 تا 60 درصد نسبت به طراحی‌های قدیمی‌تر کاهش می‌یابد که این موضوع تفاوت چشمگیری در عملکرد دنیای واقعی ایجاد می‌کند.

چالش‌های فناوری 5G در زمینه محافظت از EMI و فیلتراسیون فرکانس بالا

گذار به باندهای فرکانسی 5G در محدوده 3.5 تا 7.125 گیگاهرتز، شکاف‌های مهمی را در روش‌های سنتی محافظت الکترومغناطیسی آشکار کرده است. در فرکانس‌های mmWave با مقدار 28 گیگاهرتز، اثر عمق پوستی (skin depth) باعث کاهش 72 درصدی اثربخشی محافظت نسبت به کاربردهای زیر 6 گیگاهرتز می‌شود (گزارش صنعتی 2024). مهندسان برای مقابله با این چالش از راه‌حل‌های ترکیبی استفاده می‌کنند:

• درزگیرهای هدایت‌کننده با تضعیف 80 دسی‌بل در 6 گیگاهرتز
• سطوح انتخاب‌گر فرکانس (FSS) برای محافظت جهت‌دار
• الگوریتم‌های فعال سرکوب تداخل الکترومغناطیسی (EMI) با استفاده از تطبیق امپدانس در زمان واقعی

نیازمندی‌های محدوده فرکانسی بالاتر برای فیلترهای EMI در محیط‌های متراکم RF

استانداردهای نوظهور وای‌فای 7 (5.925 تا 7.125 گیگاهرتز) و ارتباطات ماهواره‌ای (12 تا 40 گیگاهرتز) فیلترهای EMI را فراتر از محدوده‌های سنتی می‌برند. تحقیق و توسعه کنونی بر روی موارد زیر متمرکز است:

پارامتر	فیلترهای قدیمی	نیازمندی نسل بعدی
محدوده فرکانس	DC – 6 گیگاهرتز	DC – 40 گیگاهرتز
از دست دادن درج	< 1 دسی‌بل @ 2 گیگاهرتز	< 0.8 دسی‌بل @ 28 گیگاهرتز
رد کردن مود مشترک	30 دسی بل	45 دسی‌بل

موادی مانند فریت‌های نیکل-روی و بسترهای پلیمری بلور مایع اکنون کاهش 91 درصدی در اتصال نزدیک در 24 گیگاهرتز را ممکن ساخته‌اند و به این ترتیب تداخل در ماژول‌های آنتن آرایه‌ای را برطرف می‌کنند (پیشرفت‌های علم مواد 2023).

پرسش‌های متداول (FAQs)

تداخل الکترومغناطیسی (EMI) چیست؟

EMI همان اختلالی است که تشعشع الکترومغناطیسی به عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی وارد می‌کند و می‌تواند منجر به اعوجاج سیگنال، خرابی داده یا خرابی سیستم شود.

چرا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در سال‌های اخیر به مسئله بزرگ‌تری تبدیل شده است؟

افزایش مشکلات EMI عمدتاً به دلیل کوچک‌سازی دستگاه‌ها، افزایش قابلیت‌های بی‌سیم و معرفی منابع تغذیه با فرکانس بالا مانند فناوری 5G و دستگاه‌های هوشمند است.

تفاوت فیلترهای فعال و غیرفعال EMI چیست؟

فیلترهای فعال به برق خارجی نیاز دارند و قادر به تقویت سیگنال‌ها هستند که آن‌ها را برای کاربردهای با فرکانس پایین مناسب‌تر می‌کند. فیلترهای غیرفعال به برق خارجی نیازی ندارند و در فرکانس‌های بالا مؤثر هستند، اما تنها باعث تضعیف سیگنال می‌شوند.

چرا فیلتراسیون EMI در فناوری نیمهرسانا مهم است؟

با کوچک‌تر شدن گره‌های نیمهرسانا به مقیاس زیر ۱۰ نانومتر، خواص الکتریکی قطعات با چالش‌هایی در زمینه EMI مواجه می‌شوند. فیلتراسیون موثر برای جلوگیری از مشکلات تداخل در چنین محیط‌های فشرده‌ای حیاتی است.

فناوری ۵G چگونه بر نگرانی‌های EMI تأثیر می‌گذارد؟

فرکانس بالا و محیط‌های متراکم ۵G مرزهای تکنیک‌های سنتی فیلتراسیون و محافظت در برابر EMI را به چالش می‌کشد و نیازمند راه‌حل‌های مهندسی پیشرفته برای حفظ یکپارچگی سیگنال است.