物联网设备的EMI:设计人员必须驾驭日益拥挤的电磁频谱

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随着全球数十亿物联网设备的出现,设计人员越来越多地克服电磁干扰。
 
据Oracle称,到2025年,物联网设备将达到220亿个。这些设备也是多种多样的,应用范围从消费类可穿戴设备到工厂的无线传感器。 
 
从设计的角度来看,物联网设备普遍关注的问题之一是频谱噪声。因此,全球的电子系统都受到政府法规的管理,通过严格的电磁兼容(EMC)测试来实现互操作性。 
 
EMC的基本目标是确保彼此相邻放置的设备不会干扰第二个设备的正常运行,在EMC领域通俗地称之为 "受害者电路"。当第二个设备成为侵略者设备的受害者时,它在一定的敏感度下会受到电磁干扰(EMI)。
 
 在发射设备和易感设备之间存在多种潜在的耦合路径,设计者必须意识到他们的设备在现场可能受到什么机制的影响
 
在发射设备和易感设备之间存在多种潜在的耦合路径,设计者必须意识到他们的设备在现场可能受到什么机制的影响
 
EMC标准如FCC Part 15B、CISPR-32和RSS-GEN名义上分别由美国、欧盟和加拿大政府维护。
 
现代物联网设计人员面临的EMC挑战
 
物联网设备在特定空间内的大规模扩散,加剧了电磁频谱的拥挤,这可能会给设计人员争取设备运行良好带来麻烦。  
 
目前部署的系统,电磁频谱已经很拥挤了,而物联网设备的大量使用将进一步增加特定区域的平均频谱密度。
 
目前部署的系统,电磁频谱已经很拥挤了,而物联网设备的大量使用将进一步增加特定区域的平均频谱密度。 
 
多种EMC分类
 
使这一问题进一步复杂化的是,EMC标准被分为多种分类,包括传导和辐射、有意和无意的辐射器。从名义上讲,这种划分将信息技术和无线电电子学世界分开。  
 
不同的模拟和数字标准
 
设计人员必须考虑的另一个EMC考虑因素是IoT设备要达到混合信号(模拟和数字)设备的本质。物联网技术用于从传感器,数字控制机器中捕获数据并提供通信互连链接(通常通过无线电链接)。
 
设计IoT系统的工程师必须成功通过两组标准的EMC / EMI测试,从而增加了设计的复杂性和硬件成本。 
 
北美与欧洲的EMC
 
面临EMC问题的物联网设计师面临的最后一个难题是北美和欧盟(EU)这两个最大的电子销售市场之间缺乏标准化。在大多数情况下,这两个市场都同意对设备辐射到其环境中的限制规则。
 
但是,北美商业市场实际上没有规范设备敏感性的标准(设备受到耦合能量的影响程度),从而导致欧盟更加严格的要求之间脱节。如果产品同时面向两个市场,则需要进行额外的测试。
 
辐射的任何东西,无论是设计还是偶然的,都是有天线造成的,并且天线受互易定律的约束。在射频频谱的特定频段内具有低发射水平的设备也不太可能受到外界耦合能量的影响。 
 
设计人员如何确保电磁兼容性?
 
有几种解决EMC问题的策略,AAC的贡献者Ignacio deMendizábal在其有关EMC测试的系列文章中对此进行了详细介绍。以下是IoT设计人员和制造商在整个设计过程中回避EMC问题的几种方法,但这绝不是完整的技术和方法列表。 
 
消除回流平面中的间隙
 
Wyatt技术服务公司总裁兼首席顾问Kenneth Wyatt表示,许多设计人员通过考虑PCB板的堆叠,确保回流平面没有间隙,以及避免不良的功率传输网络(PDN)来解决电磁兼容问题。
 
正如Wyatt先生在2017年的一个小型演示视频中所展示的,信号返回平面上的间隙会在间隙点处增加发射。当设计人员在设计阶段的早期考虑EMC遵从性时,便可以实现EMC。 
 
减少时钟辐射
 
 另一个辐射源来自电子系统中高度重复的波形,即时钟源。减少时钟辐射的一个有效方法是通过用二次信号调制时钟来传播。
 
通过使用包括正弦波,三角波和伪随机调制的第二个波形调制时钟,可以实现总峰值降低(dBV)。
 
通过使用包括正弦波,三角波和伪随机调制的第二个波形调制时钟,可以实现总峰值降低(dBV)。
 
尽管该技术减少了时钟产生的峰值发射,但它可能会增加时钟电路的复杂性。
 
选择抗噪设备
 
另一种方法是在项目开始时简单地选择抗噪声设备。制造商知道系统噪声是模拟传感器技术的主要问题。 
 
EMC推进物联网浪潮的注意事项
 
物联网设备的推出不会很快减慢速度,这使得发挥作用的合规设计比以往任何时候都更加重要。无论是在智慧城市,先进的工业4.0中运行,还是自动咖啡机,即使存在外部干扰,物联网设备也需要准确地处理数据。 
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