Elektromagnetinių trikdžių modernioje elektronikoje vystymasis ir kylančios priešpriešos

Šiandien elektronika susiduria su elektromagnetinės trukdžių problemomis, kurios pastaraisiais metais gerokai pablogėjo. 2023 metų tyrimai rodo, kad šios problemos nuo 2018 metų išaugo apie 47 %, daugiausia dėl to, kad įrenginiai tampa vis mažesni, bet tuo pačiu jame talpinama vis daugiau belaidžių technologijų. Situacija dar labiau pablogėjo dėl visuotinio 5G diegimo, protingųjų įrenginių tapimo kasdienybės dalimi ir dėl to, kad maitinimo šaltiniai veikia aukštesniais dažniais nei anksčiau. Visa tai reiškia, kad šiandien projektuojant naujus produktus konstruktoriams būtina rimtai atsižvelgti į EMI filtravimą.

Elektromagnetinių trikdžių (EMI) supratimas elektroniniuose prietaisuose

EMI atsiranda tada, kai elektromagnetiniai spinduliai trikdo įrenginio veikimą, pasireikšdami signalo iškraipymu, duomenų pažeidimu arba visišku sistemos sutrikimu. Yra dvi pagrindinės EMI kategorijos:

• Gamtos šaltiniai kosminė spinduliuotė, saulės žybsniai ir atmosferos išlydžiai
• Žmogaus sukurti šaltiniai : Impulsiniai maitinimo šaltiniai, belaidžiai siųstuvai ir greitaveikiai skaitmeniniai grandynai

Visuotinis elektromagnetinio trikdžio (EMI) susijusių įrangos gedimų ekonominis nuostolis viršija 740 milijardų JAV dolerių per metus (Ponemon Institute, 2023), kas pabrėžia efektyvių prevencijos strategijų svarbą.

Laidusis ir spinduliuojamasis EMI impulsiniuose maitinimo šaltiniuose

Šiuolaikiniai impulsiniai maitinimo šaltiniai susiduria su dvejopomis EMI problemomis:

EMI tipas	Perdavimo kelias	Dažnių intervalas	Bendros prevencijos priemonės
Laidusis EMI	Maitinimo/žemės linijos	150 kHz - 30 MHz	Feritiniai žarneliai
Išspinduliuota EMI	Elektromagnetiniai laukai	30 MHz - 1 GHz	Apsauga nuo skydelių

Naujausi tyrimai rodo, kad 68 % maitinimo šaltinių gedimų kyla dėl nepakankamo EMI filtravimo (integruoto aktyvaus filtravimo tyrimai, 2023 m.), ypač kompaktiškose konstrukcijose, kur komponentų artumas padidina trikdžių riziką.

Didelės galios tankio elektronikos poveikis EMI iššūkiams

Reikalavimas mažesniems ir galingesniems įrenginiams nuo 2015 m. padidino galios tankį 300 %, sukuriant tris pagrindinius EMI iššūkius:

1. Sumažėjęs fizinis plotas tradicinėms filtravimo detalėms
2. Didesnės šiluminės apkrovos, keičiančios medžiagų savybes
3. Padidėję parazitiniai kondensatoriai tankiai supakuotuose grandynuose

Ši didesne tankio sukelta EMI aplinka reikalauja inovatyvių sprendimų, tokių kaip integruoti rezistoriai ir adaptaciniai filtravimo algoritmai, siekiant išlaikyti signalo vientisumą nesumažinant našumo.

Puslaidininkių technologijos ir EMI filtrų integracijos pažangos

Kaip mažėjantys mazgų dydžiai padidina puslaidininkių jautrumą elektromagnetiniam trikdžiui

Mažinant puslaidininkų elementus iki sub-10 nm mastelių, atsirado netikėtų elektromagnetinės trukdžių problemų. Kai šie mažyčiai komponentai yra taip arti vienas kito, jų elektrinės savybės pradeda elgtis keistai. Tarp jų atsirandantys parazitiniai kondensatoriai pradeda veikti kaip mažos antenos, o induktyvūs ryšiai aukšto dažnio režimu virsta triukšmo stiprintuvais. Pagal paskutinių metų IEEE EMC Society paskelbtą tyrimą, mažinant žemiau 28 nm, grandinės tampa apie 20 % jautresnės EMI problemoms, nes klaidų ribos tampa mažesnės, o viskas įsijungia ir išsijungia kur kas greičiau. Gamintojams dabar tenka privalomai integruoti specialius EMI filtrus, kad šie itin kompaktiški čipai nekeltų signalo trikdžių. Kai kurie ekspertai teigia, kad tai galbūt paaiškina, kodėl pastaruoju metu vis didesnis dėmesys skiriamas pakavimo sprendimams.

Puslaidininkių sprendimų elektromagnetiniam trikdžiui sumažinti pramonės tendencijos

Gamintojai vis dažniau naudoja sujungtas EMI mažinimo sistemas, kurios apima pažangias filtravimo medžiagas kartu su išmaniomis išdėstymo strategijomis. Pagal 2024 metų rinkos tyrimus, apie du trečdalius naujai išleistų maitinimo valdymo mikroschemų turi tam tikrą integruotą EMI slopinimo funkciją. Tai yra gana didelis šuolis lyginant su truputį daugiau nei 40 % 2020 metais. Naujausi valdiklių projektavimo sprendimai dar labiau tobulėja, integruodami aktyvios triukšmo slopinimo technologijas. Šie integruoti sprendimai leidžia sumažinti trukdžius apie 15 dB, palyginti su tradiciniais atskirais komponentais, tuo pat metu užimdami apie 30 % mažesnę vietą ant grandinių plokščių. Inžinieriams, dirbantiems su griežta erdvės apribojimais, tai reiškia tikrą proveržį našumo ir užimamos vietos santykyje.

Elektromagnetinio trikdžio filtravimo integracija puslaidininkiniuose įrenginiuose

Trys pagrindiniai integracijos metodai keičia EMI filtrų diegimą:

1. Decentralizuoti tinklai ant kristalo naudojant aukšto k dielektrikų medžiagas
2. Srovės išlyginimo architektūros įtampų reguliatoriuose
3. Adaptyvus impedanso derinimas dažnio selektyviai slopinimui

Šie integruoti sprendimai sumažina parazitines nuostolius 45%lyginant su tradiciniais išoriniais EMI filtrais, išlaikant atitiktį FCC 15-osios dalies B klasės emisijos standartams. Tačiau šilumos valdymas lieka sudėtinga užduotis konstrukcijose, kuriose filtravimo komponentai bendrauja silicio plotą su didelės galios tranzistoriais.

Mažinimas ir dizaino inovacijos EMI filtrų kūrime

EMI filtrų mažinimas ir vietą taupantys dizainai moderniose PCB

Šiuolaikinė elektronika dabar reikalauja, kad EMI filtrai užimtų 68 % mažiau vietos spausdintinėje grandinėje nei 2019 m. konstrukcijos, kas lemiamą poveikį daro 5G infrastruktūros poreikiai ir nešiojamųjų įrenginių apribojimai. Daugiasluoksnių keraminių kondensatorių, turinčių integruotas filtravimo funkcijas, dėka komponentų skaičius sumažėja 40 %, išlaikant 60 dB triukšmo slopinimą 100 MHz dažniuose.

Medžiagų mokslo proveržiai, leidžiantys mažesnius EMI filtrus

Nanokristalinės šerdies medžiagos pasiekia 92 % didesnį srauto tankį lyginant su tradiciniais feritais, leidžiant 3 mm² filtro pėdsaką be termoinstabilumo aukojimo. Naujausi pažangūs laidūs polimeriniai kompozitai dabar slopina 0,1–6 GHz trukdžius 85 % efektyvumu 1,2 mm storio konfigūracijose.

Prielaidos tarp dydžio sumažinimo ir filtravimo efektyvumo

Filtro matmenų sumažinimas paprastai padidina parazitinę talpą 15–25 %, todėl reikalingos inovatyvios impedanso derinimo schemos. Projektuotojai kompensuoja per:

• Dažniui selektyvias apsaugines dangas
• Adaptyvias slopinimo grandines
• 3D induktyvumo vyniojimo technologijas

Atvejo analizė: miniatiūriniai EMI filtrai nešiojamose vartotojų elektronikos priemonėse

Neseniai įgyvendintas išmanusis laikrodis demonstruoja 2,8 mm³ EMI filtrus, kurie PMIC modulių jungiamųjų triukšmą sumažino 73 dBμV/m – atitinkantys EN 55032 B klasės reikalavimus ir užimančius 35 % mažiau vietos ant spausdintinės plokštės lyginant su ankstesniais kartos modeliais.

Aktyvusis ir pasyvusis EMI filtravimas: našumas, sudėtingumas ir taikymo sritys

Pagrindiniai skirtumai tarp aktyviųjų ir pasyviųjų EMI filtrų

EMI filtrai būna dviejų pagrindinių tipų – aktyvieji ir pasyvieji – ir jie kovoja su elektromagnetiniais trikdžiais visiškai skirtingais būdais. Pasyvieji veikia derinant rezistorius, kondensatorius ir ritės, kad užblokuotų erzinančias nereikalingas dažnių sritis. Jų privalumas tas, kad jiems veikti nereikia išorinio maitinimo šaltinio. Aktyvieji filtrai – visai kita istorija. Šie prietaisai naudoja operacinius stiprintuvus ir reikalauja išorinio maitinimo, kad aktyviai kovotų su trikdžiais. Pagal praėjusiais metais atliktus tyrimus, tarp šių dviejų metodų yra keletas svarbių skirtumų, į kuriuos verta atkreipti dėmesį.

Ypatybė	Aktyvieji filtrai	Pasyvieji filtrai
Reikalavimas galios	Taip	Ne
Dažnių intervalas	Optimizuoti žemiems dažniams	Veiksmingi aukštiems dažniams
Signalo stiprinimas	Galima stiprinti	Tik silpninimas
Kaina	15–30 % daugiau	Mažesnė iš anksto kaina

Aktyvūs EMI filtrai maitinimo šaltinių projektavime triukšmų pašalinimui

Sudėtingose maitinimo sistemose, kur svarbu pašalinti nereikalingą triukšmą, aktyvūs filtrai išsiskiria. Jie veikia panašiai kaip tie prabangūs triukšmą slopinantys ausinės, apie kuriuos visi šiandien žinome, tačiau vietoj garso bangų jie dirba su elektriniais signalais. Šie filtrai veikia siųsdami priešingos fazės signalus, kurie efektyviai neutralizuoja trukdžius. Pastaruoju metu dideli šios srities gamintojai pradėjo integruoti protingas adaptacines algoritmus tiesiai į savo integrines grandines. Pagal daugumos ataskaitų, tai sumažino išorinių filtrų reikalingą fizinę vietą maždaug pusę, ir vis dar užtikrina laikymąsi FCC 15B dalies taisyklių, skirtų elektromagnetinei suderinamumui.

Realaus laiko adaptacijos EMI filtravimo sistemos, naudojančios grįžtamąjį ryšį

Šiuolaikiniai aktyvūs filtrai naudoja realaus laiko impedanso stebėjimą ir skaitmeninio signalo apdorojimą (DSP), kad per mikrosekundes koreguotų filtravimo parametrus. Ši galimybė yra gyvybiškai svarbi pramonės robotikoje ir 5G infrastruktūroje, kur EMI profiliai keičiasi labai greitai. Pavyzdžiui, adaptacijos sistemos gali slopinti trumpalaikius triukšmo šuolius, viršijančius 80 dBµV, nesumažindamos signalo vientisumo.

Prieštaringumo analizė: ar aktyvūs filtrai verti sudėtingumo premijos?

Aktyvūs filtrai iš tikrųjų sumažina reikalingų komponentų skaičių tankiai sudėliotiems grandynams, tačiau jie kainuoja apie 1,5–2 kartus daugiau nei alternatyvos, dėl ko inžinierių tarpe kilo nemažai diskusijų. Daugelis vis dar mano, kad rezistoriniai variantai puikiai tinka maždaug septyniems iš dešimties komercinių taikymų, veikiančių dažniu iki 500 kilohercų. Kita vertus, šalininkai nurodo į ilgalaikius pranašumus. Pernai atliktas tyrimas parodė, kad automobiliai su pažangiomis vairuotojo pagalbos sistemomis, naudojančios šias specialiąsias EMI slopinimo technologijas, buvo susidūrę su 22 procentais mažiau problemų praktikoje. Galutinai viskas priklauso nuo to, ar geresnis našumas vertas sudėtingesnio konstrukcijos sprendimo, priklausomai nuo konkretaus projekto.

EMI filtrų integracija sistemos lygmeniu 5G ir aukšto dažnio programose

EMI filtrų integracija sistemos projektavime signalo vientisumui užtikrinti

Naujausi 5G sistemos tikrai reikia specialiai sukurtų EMI filtrų, jei nori išlaikyti signalus švarius visose tų glaudžiai suprojektuotose grandinėse. Pagal 2024 metų pramonės tyrimus, apie 8 iš 10 5G RF įrenginių problemų iš esmės kyla dėl nepakankamo EMC planavimo montuojant viską kartu. Šiuolaikiniai inžinieriai dabar sutelkia dėmesį į tokius daugiapakopius filtrų rinkinius, nes jie sprendžia tiek žemesnių dažnių (iki maždaug 30 MHz) problemas, tiek aukštesnių nei 1 GHz triukšmą, ypač svarbų galingiems baziniams procesoriams. Praktiškai tai reiškia, kad klaidingų bitų skaičius mmBangio ryšio sistemose sumažėja nuo 40 iki 60 procentų, palyginti su senesniais sprendimais, kas realioje veikloje daro didžiulį skirtumą.

5G technologijos iššūkiai dėl EMI skyros ir aukšto dažnio filtravimo

Pereinant prie 5G 3,5–7,125 GHz dažnių juostų atsirado esminių spragų tradicinėse ekranavimo metodikose. 28 GHz mm bangų diapazone odos efektas sumažina ekranavimo veiksmingumą 72 % lyginant su sub-6 GHz taikymais (pramonės ataskaita 2024 m.). Inžinieriai šį reiškinį kompensuoja naudodami hibridinius sprendimus:

• Laidūs tarpikliai su 80 dB slopinimu ties 6 GHz
• Dažnių selektyvios paviršiaus struktūros (FSS) kryptiniam ekranavimui
• Adaptyvūs EMI slopinimo algoritmai, naudojantys realaus laiko impedanso derinimą

Didesnio dažnio diapazono reikalavimai EMI filtrams RF-tankiuose aplinkose

Nauji Wi-Fi 7 (5,925–7,125 GHz) ir palydovinės ryšio (12–40 GHz) standartai verčia EMI filtrus veikti už tradicinių ribų. Esamas mokslinių tyrimų dėmesys nukreiptas į:

Parametras	Seni filtra	Kita kartos reikalavimas
Dažnių intervalas	DC – 6 GHz	DC – 40 GHz
Įterpimo praradimas	< 1 dB @ 2 GHz	< 0,8 dB @ 28 GHz
Bendrojo režimo atmetimas	30 dB	45 dB

Medžiagos, tokios kaip nikelio cinko feritai ir skystųjų kristalų polimeriniai pagrindai, dabar leidžia sumažinti artimosios zonos koplijimą iki 91 % ties 24 GHz, sprendžiant fazinių masyvų antenų modulių trukdžius (Medžiagotyros pažangos 2023 m.)

Dažnai užduodami klausimai (Prašymai)

Kas yra elektromagnetinis trikdžis (EMI)?

EMI – tai elektromagnetinės spinduliuotės sukeliamas elektroninių prietaisų veikimo sutrikdymas, kuris gali sukelti signalo iškraipymą, duomenų pažeidimą arba sistemos gedimą.

Kodėl pastaraisiais metais EMI tapo didesne problema?

EMI problemų augimas daugiausia susijęs su įrenginių miniatiūrizacija, belaidžių technologijų plėtra ir aukštos dažninės maitinimo schemos diegimu, pvz., 5G technologija bei išmanieji įrenginiai.

Kuo skiriasi aktyvūs ir pasyvūs EMI filtrai?

Aktyviems filtrams reikia išorinės energijos ir jie gali stiprinti signalus, todėl yra tinkamesni žemo dažnio taikymams. Pasyvūs filtrai nereikalauja išorinės energijos ir veiksmingi aukštuose dažniuose, tačiau tik silpnina signalą.

Kodėl EMI filtravimas svarbus puslaidininkų technologijoje?

Kai puslaidininkų mazgai sumažinami iki sub-10 nm mastelio, komponentų elektrinės savybės sukelia EMI problemas. Tokiose kompaktiškose aplinkose būtinas efektyvus filtravimas, kad būtų išvengta trukdžių.

Kaip 5G technologija veikia EMI klausimus?

5G aukšti dažniai ir tankios aplinkos išstumia tradicinius EMI filtravimo ir ekranavimo metodus, todėl reikalingi pažangūs inžineriniai sprendimai, kad būtų išlaikyta signalo vientisumas.