電磁干擾的屏蔽方法

dangjie666

  電磁干擾的屏蔽方法
EMC問題常常是制約中國電子產品出口的一個原因，本文主要論述EMI的來源及一些非常具體的抑制方法。
•    EMC問題來源
•    金屬屏蔽效率
•    EMI抑制策略
•    屏蔽設計難點
•    襯墊及附件
•    結論
電磁相容性(EMC)是指“一種器件、設備或系統的性能，它可以使其在自身環境下正常工作並且同時不會對此環境中任何其他設備產生強烈電磁干擾(IEEE C63.12-1987)。”對於無線收發設備來說，採用非連續頻譜可部份實現EMC性能，但是很多有關的例子也表明EMC並不總是能夠做到。例如在筆記本電腦和測試設備之間、列印機和台式電腦之間以及行動電話和醫療儀器之間等都具有高頻干擾，我們把這種干擾稱為電磁干擾(EMI)。
EMC問題來源
所有電器和電子設備工作時都會有間歇或連續性電壓電流變化，有時變化速率還相當快，這樣會導致在不同頻率內或一個頻帶間產生電磁能量，而相應的電路則會將這種能量發射到周圍的環境中。
EMI有兩條途徑離開或進入一個電路：輻射和傳導。信號輻射是藉由外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去；而信號傳導則藉由耦合到電源、信號和控制線上離開外殼，在開放的空間中自由輻射，從而產生干擾。
很多EMI抑制都採用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來實現，大多數時候下面這些簡單原則可以有助於實現EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；藉由屏蔽、過濾或接地將干擾產生電路隔離以及增強敏感電路的抗干擾能力等。EMI抑制性、隔離性和低敏感性應該作為所有電路設計人員的目標，這些性能在設計階段的早期就應完成。
對設計工程師而言，採用屏蔽材料是一種有效降低EMI的方法。如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用，從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導電織物或卷帶上噴射塗層及鍍層(如導電漆及鋅線噴塗等)。無論是金屬還是塗有導電層的塑料，一旦設計人員確定作為外殼材料之後，就可著手開始選擇襯墊。
金屬屏蔽效率
可用屏蔽效率(SE)對屏蔽罩的適用性進行評估，其單位是分貝，計算公式為
SEdB=A+R+B
其中
A：吸收損耗(dB)
R：反射損耗(dB)
B：校正因子(dB)(適用於薄屏蔽罩內存在多個反射的情況)
一個簡單的屏蔽罩會使所產生的電磁場強度降至最初的十分之一，即SE等於20dB；而有些場合可能會要求將場強降至為最初的十萬分之一，即SE要等於100dB。
吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數量，吸收損耗計算式為
AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t
其中
f：頻率(MHz)
μ：銅的導磁率
σ：銅的導電率
t：屏蔽罩厚度
反射損耗(近場)的大小取決於電磁波產生源的性質以及與波源的距離。對於杆狀或直線形發射天線而言，離波源越近波阻越高，然後隨著與波源距離的增加而下降，但平面波阻則無變化(恒為377)。
相反，如果波源是一個小型線圈，則此時將以磁場為主，離波源越近波阻越低。波阻隨著與波源距離的增加而增加，但當距離超過波長的六分之一時，波阻不再變化，恒定在377處。
反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化，因此它不僅取決於波的類型，而且取決於屏蔽罩與波源之間的距離。這種情況適用於小型帶屏蔽的設備。
近場反射損耗可按下式計算
R(電)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)]
R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+[10×lg(μ/σ)]
其中
r：波源與屏蔽之間的距離。
SE算式最後一項是校正因子B，其計算公式為
B=20lg[-exp(-2t/σ)]
此式僅適用於近磁場環境並且吸收損耗小於10dB的情況。由於屏蔽物吸收效率不高，其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個負數，表示屏蔽效率的下降情況。
EMI抑制策略
只有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低，還有就是採用機械方法將屏蔽罩作成規定形狀同樣會降低導磁率。綜上所述，選擇用於屏蔽的高導磁性材料非常複雜，通常要向EMI屏蔽材料供應商以及有關咨詢機構尋求解決方案。
在高頻電場下，採用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續，並將敏感部份完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)。然而在實際中要製造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由於屏蔽罩要分成多個部份進行製作，因此就會有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便黏著與附加卡或裝配組件的連線。
設計屏蔽罩的困難在於製造過程中不可避免會產生孔隙，而且設備運行過程中還會需要用到這些孔隙。製造、面板連線、通風口、外部監測窗口以及面板黏著組件等都需要在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。
任一頻率電磁波的波長為: 波長(λ)=光速(C)/頻率(Hz)
當縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減。通常RF發射頻率越高衰減越嚴重，因為它的波長越短。當涉及到最高頻率時，必須要考慮可能會出現的任何諧波，不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可。
一旦知道了屏蔽罩內RF輻射的頻率及強度，就可計算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽。例如如果需要對1GHz(波長為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會開始產生衰減，因此當存在小於150mm的縫隙時，1GHz輻射就會被衰減。所以對1GHz頻率來講，若需要衰減20dB，則縫隙應小於15 mm(150mm的1/10)，需要衰減26dB時，縫隙應小於7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰減32dB時，縫隙應小於3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。
可採用合適的導電襯墊使縫隙大小限定在規定尺寸內，從而實現這種衰減效果。
屏蔽設計難點
由於接縫會導致屏蔽罩導通率下降，因此屏蔽效率也會降低。要注意低於截止頻率的輻射其衰減只取決於縫隙的長度直徑比，例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性；另一種實現較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物，如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構成多孔屏蔽罩設計基礎。
多孔薄型屏蔽層：多孔的例子很多，比如薄金屬片上的通風孔等等，當各孔間距較近時設計上必須要仔細考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計算公式
SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n
其中
fc/o：截止頻率
n：孔洞數目
注意此公式僅適用於孔間距小於孔直徑的情況，也可用於計算金屬編織網的相關屏蔽效率。
接縫和接點：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進行永久性固定的常用方式，接合部位金屬表面必須清理干淨，以使接合處能完全用導電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進行固定，因為緊固件之間接合處的低阻接觸狀態不容易長久保持。
導電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙，使RF輻射不會散發出去。EMI襯墊是一種導電介質，用於填補屏蔽罩內的空隙並提供連續低阻抗接點。通常EMI襯墊可在兩個導體之間提供一種靈活的連接，使一個導體上的電流傳至另一導體。
封孔EMI襯墊的選用可參照以下性能參數：
‧特定頻率範圍的屏蔽效率
‧黏著方法和密封強度
‧與外罩電流相容性以及對外部環境的抗腐蝕能力。
‧工作溫度範圍
‧成本
大多數商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設備滿足EMC標準，關鍵是在屏蔽罩內正確地對墊片進行設計。
墊片系統：一個需要考慮的重要因素是壓縮，壓縮能在襯墊和墊片之間產生較高導電率。襯墊和墊片之間導電性太差會降低屏蔽效率，另外接合處如果少了一塊則會出現細縫而形成槽狀天線，其輻射波長比縫隙長度小約4倍。
確保導通性首先要保証墊片表面平滑、干淨並藉由必要處理以具有良好導電性，這些表面在接合之前必須先遮住；另外屏蔽襯墊材料對這種墊片具有持續良好的黏合性也非常重要。導電襯墊的可壓縮特性可以彌補墊片的任何不規則情況。
所有襯墊都有一個有效工作最小接觸電阻，設計人員可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻，當然這將增加密封強度，會使屏蔽罩變得更為彎曲。大多數襯墊在壓縮到原來厚度的30%至70%時效果比較好。因此在建議的最小接觸面範圍內，兩個相向凹點之間的壓力應足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導電性。
另一方面，對襯墊的壓力不應大到使襯墊處於非正常壓縮狀態，因為此時會導致襯墊接觸失效，並可能產生電磁泄漏。與墊片分離的要求對於將襯墊壓縮控制在製造商建議範圍非常重要，這種設計需要確保墊片具有足夠的硬度，以免在墊片緊固件之間產生較大彎曲。在某些情況下，可能需要另外一些緊固件以防止外殼結構彎曲。
壓縮性也是轉動接合處的一個重要特性，如在門或插板等位置。若襯墊易於壓縮，那麼屏蔽性能會隨著門的每次轉動而下降，此時襯墊需要更高的壓縮力才能達到與新襯墊相同的屏蔽性能。在大多數情況下這不太可能做得到，因此需要一個長期EMI解決方案。
如果屏蔽罩或墊片由塗有導電層的塑料制成，則添加一個EMI襯墊不會產生太多問題，但是設計人員必須考慮很多襯墊在導電表面上都會有磨損，通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損。隨著時間成長這種磨損會降低襯墊接合處的屏蔽效率，並給後面的製造商帶來麻煩。
如果屏蔽罩或墊片結構是金屬的，那麼在噴塗拋光材料之前可加一個襯墊把墊片表面包住，只需用導電膜和卷帶即可。若在接合墊片的兩邊都使用卷帶，則可用機械固件對EMI襯墊進行緊固，例如帶有塑料鉚釘或壓敏黏結劑(PSA)的“C型”襯墊。襯墊黏著在墊片的一邊，以完成對EMI的屏蔽。
襯墊及附件
目前可用的屏蔽和襯墊產品非常多，包括鈹-銅接頭、金屬網線(帶彈性內芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網和定向線、導電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數屏蔽材料製造商都可提供各種襯墊能達到的SE估計值，但要記住SE是個相對數值，還取決於孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等。襯墊有多種形狀，可用於各種特定應用，包括有磨損、滑動以及帶鉸鏈的場合。目前許多襯墊帶有黏膠或在襯墊上面就有固定裝置，如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置等。
各類襯墊中，塗層泡沫襯墊是最新也是市面上用途最廣的產品之一。這類襯墊可做成多種形狀，厚度大於0.5mm，也可減少厚度以滿足UL燃燒及環境密封標準。還有另一種新型襯墊即環境/EMI混合襯墊，有了它就可以無需再使用單獨的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和複雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線穩定，可防潮、防風、防清洗溶劑，內部塗層則進行金屬化處理並具有較高導電性。最近的另外一項革新是在EMI襯墊上裝了一個塑料夾，同傳統壓制型金屬襯墊相比，它的重量較輕，裝配時間短，而且成本更低，因此更具市場吸引力。
結論
設備一般都需要進行屏蔽，這是因為結構本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可藉由一些基本原則確定，但是理論與現實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度，如同在一個設備中使用了多個處理器時的情形。表面處理及墊片設計是保持長期屏蔽以實現EMC性能的關鍵因素。

jimmyguo

要是简体字就更加好了，繁体字看起来有点累，呵呵

dangjie666

呵呵，敝人在台企，看惯了，你可以考下来自己转。

hmeng

屏蔽主要还是隔离重要？