Phân tích tương thích điện từ (EMC) và nhiễu điện từ (EMI) đóng vai trò quan trọng trpng việc đảm bảo thiết bị hoạt động đáng tin cậy, đồng thời đáp ứng các yêu cầu quy định. Quy trình phân tích EMC/EMI này giúp bạn xác định và giải quyết các vấn đề có thể làm giảm hiệu suất hoặc gây nhiễu cho các thiết bị khác. Việc tuân thủ quy định là rất cần thiết, vì nhiều quốc gia yêu cầu kiểm tra EMI trước khi sản phẩm được đưa ra thị trường. Ngoài việc tuân thủ, mức EMI quá cao có thể gây ra rủi ro về an toàn, đặc biệt là trong các ứng dụng quan trọng như thiết bị y tế. Việc không tuân thủ có thể dẫn đến tổn thất tài chính, thất bại trong vận hành, hoặc thậm chí gây nguy hiểm cho con người. Một phương pháp tiếp cận có cấu trúc đối với phân tích EMC/EMI cho phép bạn giảm thiểu những rủi ro này một cách hiệu quả.

Định nghĩa

EMI (còn được gọi là nhiễu tần số vô tuyến - RFI) chủ yếu liên quan đến việc thiết bị gây nhiễu cho các hệ thống vô tuyến, truyền hình hoặc các hệ thống giao tiếp hiện có, chẳng hạn như điện thoại di động. Ở nhiều khu vực ngoài Hoa Kỳ, khái niệm EMI cũng bao gồm khả năng miễn nhiễm với các nguồn năng lượng bên ngoài, chẳng hạn như xả tĩnh điện và quá độ đường dây điện. Điều này thường áp dụng cho các sản phẩm thương mại, tiêu dùng, công nghiệp, y tế và khoa học. Phát xạ bức xạ thường được đo ở khoảng cách thử nghiệm 3 m hoặc 10 m.

Sửa lỗi EMI

Kiểm tra tuân thủ EMI thường được thực hiện trong vùng xa (far-field). Trong vùng này, sóng điện từ lan truyền trong không gian gần giống như sóng phẳng, với các thành phần điện trường và từ trường có biên độ xấp xỉ bằng nhau. Tùy thuộc vào tần số tín hiệu, đặc tính của ăng-ten phát và các yếu tố khác, vùng xa thường bắt đầu ở khoảng cách bằng một đến hai bước sóng tính từ nguồn phát. Việc kiểm tra tuân thủ trong vùng xa giúp phát hiện các vấn đề EMI thông qua việc đo các mức phát xạ vượt quá giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn.

Ngược lại, quá trình gỡ lỗi EMI chủ yếu được thực hiện trong vùng gần (near-field) nhằm xác định chính xác vị trí phát sinh nguồn nhiễu. Mục tiêu của gỡ lỗi là tìm ra thành phần cụ thể nào—chẳng hạn như linh kiện, dây dẫn, đường mạch in hoặc cụm mạch—chịu trách nhiệm cho các phát xạ không mong muốn. Để có thể loại bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu và đưa thiết bị đạt yêu cầu tuân thủ, việc xác định đúng nguồn gây phát xạ là bước then chốt.

Quá trình gỡ lỗi EMI thường bao gồm ba bước chính sau:

1. Phát hiện và đặc trưng hóa phát xạ
   Xác định tần số và mức biên độ của các tín hiệu không mong muốn. Phân tích xem các tín hiệu này có đặc điểm gì giúp nhận dạng nguồn gốc của chúng hay không, ví dụ như có phải là các bội số nguyên của tần số xung nhịp hay không.
2. Xác định nguồn phát thải vật lý
   Tìm ra các linh kiện, dây dẫn, mạch in hoặc cấu trúc vật lý nào đang góp phần tạo ra các phát xạ này.
3. Áp dụng các biện pháp khắc phục
   Sử dụng các kỹ thuật như cải thiện nối đất, che chắn, lọc hoặc bố trí lại mạch để loại bỏ hoặc ít nhất là giảm mức phát xạ xuống dưới giới hạn cho phép.

Các công cụ phổ biến nhất trong quá trình gỡ lỗi EMI bao gồm đầu dò trường gần và máy hiện sóng, cho phép quan sát trực tiếp dạng sóng và xác định vị trí phát sinh nhiễu một cách hiệu quả.

IEC 61000-3-3

IEC 61000-3-3 là một tiêu chuẩn EMC của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế về các giới hạn dao động điện áp và chập chờn trong hệ thống điện áp thấp công cộng. Nó chỉ định các điều kiện, quy trình và giới hạn thay đổi điện áp có thể được tạo ra bởi thiết bị được thử nghiệm (EUT). Tiêu chuẩn này áp dụng cho thiết bị điện và điện tử có dòng điện đầu vào lên đến và bao gồm 16 A mỗi pha và được thiết kế để kết nối với hệ thống phân phối điện áp thấp công cộng từ 220 V đến 250 V ở đường dây 50 Hz đến trung tính.

Tiêu chuẩn này không áp dụng cho thiết bị có trở kháng tham chiếu Zref là 6,4Ω. Thiết bị như vậy có thể được kiểm tra theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-11. Phần 3-11 áp dụng cho thiết bị có dòng điện đầu vào định mức ≤ 75 A trên mỗi pha và tùy thuộc vào kết nối có điều kiện. Biến động điện áp là những thay đổi không mong muốn trong nguồn cung cấp điện áp từ nguồn điện xoay chiều. Nhấp nháy điện áp là sự không ổn định của  ánh sáng, trong đó độ chói dao động theo thời gian do biến động điện áp nguồn. Tải hiện tại thay đổi gây ra dao động điện áp. Nếu dao động đủ lớn, chúng có thể khiến bóng đèn điện hoặc đèn nhấp nháy theo thời gian. Bên cạnh công suất không đảm bảo, sự chập chờn của đèn điện còn gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Ánh sáng nhấp nháy gây đau đầu, căng thẳng tinh thần, khó chịu, đau nửa đầu và một số người có thể bị động kinh.

Dao động điện áp cũng có thể gây hở mạch bảo vệ của thiết bị và làm gián đoạn mất điện cho các bộ phận khác của thiết bị. Các thiết bị tải nặng như máy giặt, TV, máy phát điện một chiều, động cơ, v.v. gây ra dao động điện áp cục bộ trong một thời gian ngắn do dòng điện vào lớn. Dòng điện khởi động này cũng có thể làm đứt cầu chì trong các thiết bị gây gián đoạn hoạt động.

IEC 61000-3-3 chỉ định các giới hạn đối với sự thay đổi điện áp được tạo ra trên tải tham chiếu của EUT dựa trên các yếu tố sau:

• Điện áp tối đa tương đối
• Nhấp nháy ngắn hạn (Pst)
• Nhấp nháy dài hạn (Plt)

Các thách thức EMC

1. Phát xạ bức xạ

Phát xạ bức xạ xảy ra khi một thiết bị vô tình phát ra năng lượng điện từ vào môi trường xung quanh. Năng lượng này có thể gây nhiễu cho các thiết bị lân cận, làm gián đoạn hoạt động hoặc dẫn đến lỗi hệ thống. Một số nguyên nhân thiết kế thường gặp gây ra phát xạ bức xạ bao gồm:

• Bố cục PCB không hợp lý: Các đường mạch được định tuyến kém hoặc các vòng dòng có diện tích lớn có thể hoạt động như những ăng-ten ngoài ý muốn, phát ra tín hiệu nhiễu.
• Nối đất kém: Hệ thống tiếp đất không hiệu quả tạo điều kiện cho nhiễu thoát ra ngoài thiết bị.
• Thiếu che chắn cho cáp hoặc linh kiện: Khi không có lớp che chắn phù hợp, cáp và linh kiện dễ phát xạ năng lượng điện từ ra môi trường xung quanh.

2. Phát xạ dẫn truyền

Phát xạ dẫn truyền là hiện tượng nhiễu lan truyền dọc theo các đường dây nguồn hoặc đường tín hiệu kết nối giữa các thiết bị, ảnh hưởng đến các thiết bị khác cùng kết nối trong một hệ thống hoặc mạng điện. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong các môi trường có thiết bị nhạy cảm. Những nguyên nhân phổ biến bao gồm:

• Nguồn chuyển mạch: Các bộ nguồn này thường sinh ra nhiễu tần số cao, có thể lan truyền qua đường dây điện.
• Hệ thống lọc không đầy đủ: Khi thiếu hoặc thiết kế bộ lọc không phù hợp, nhiễu dễ dàng thoát ra và truyền sang các thiết bị khác.
• Quản lý cáp kém: Cáp được bố trí không hợp lý hoặc không được che chắn đúng cách có thể trở thành đường dẫn cho nhiễu dẫn truyền.

3. Các vấn đề về tính nhạy cảm (susceptibility)

Tính nhạy cảm xuất hiện khi một thiết bị không đủ khả năng chống chịu trước các trường điện từ từ môi trường bên ngoài tác động vào. Điều này có thể gây ra hoạt động không ổn định, mất dữ liệu hoặc thậm chí làm thiết bị tự khởi động lại, khiến hệ thống trở nên kém tin cậy. Các yếu tố chính dẫn đến vấn đề này gồm:

• Che chắn không đầy đủ: Thiết bị thiếu lớp che chắn thích hợp sẽ dễ bị tác động bởi nhiễu điện từ bên ngoài.
• Tiếp đất không đúng cách: Hệ thống tiếp đất yếu làm tăng mức độ nhạy cảm với nhiễu.
• Thiếu bộ lọc ở đầu vào: Khi không có bộ lọc, nhiễu từ bên ngoài có thể xâm nhập qua đường nguồn hoặc đường tín hiệu, làm suy giảm hiệu suất thiết bị.

Bằng cách nhận diện đúng và xử lý hiệu quả các vấn đề trên, các nhà thiết kế có thể xây dựng những hệ thống điện tử ổn định và đáng tin cậy hơn trong điều kiện vận hành thực tế. Các phần tiếp theo sẽ tập trung trình bày những công cụ và chiến lược nhằm khắc phục các thách thức liên quan đến EMC.