电磁干扰的屏蔽方法

作者:      发布日期  2009-11-2

EMC问题常常是制约中国电子产品出口的一个原因,本文主要论述EMI的来源及一些非常具体的抑制方法。


电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的性能,它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其他设备产生强烈电磁干扰(IEEE C63.12-1987)。”对于无线收发设备来说,采用非连续频谱可部分实现EMC性能,但是很多有关的例子也表明EMC并不总是能够做到。例如在笔记本电脑和测试设备之间、打印机和台式电脑之间以及蜂窝电话和医疗仪器之间等都具有高频干扰,我们把这种干扰称为电磁干扰(EMI)。


EMC问题来源


所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化,有时变化速率还相当快,这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量,而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。


EMI有两条途径离开或进入一个电路:辐射和传导。信号辐射是通过外壳的缝、槽、开孔或其他缺口泄漏出去;而信号传导则通过耦合到电源、信号和控制线上离开外壳,在开放的空间中自由辐射,从而产生干扰。


很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现,大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽:从源头处降低干扰;通过屏蔽、过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。EMI抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电路设计人员的目标,这些性能在设计阶段的早期就应完成。


对设计工程师而言,采用屏蔽材料是一种有效降低EMI的方法。如今已有多种外壳屏蔽材料得到广泛使用,从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等)。无论是金属还是涂有导电层的塑料,一旦设计人员确定作为外壳材料之后,就可着手开始选择衬垫。


金属屏蔽效率


可用屏蔽效率(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估,其单位是分贝,计算公式为


SEdB=A+R+B


其中 A:吸收损耗(dB) R:反射损耗(dB) B:校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况)


一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一,即SE等于20dB;而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一,即SE要等于100dB。


吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量,吸收损耗计算式为


AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t


其中 f:频率(MHz) μ:铜的导磁率 σ:铜的导电率 t:屏蔽罩厚度


反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言,离波源越近波阻越高,然后随着与波源距离的增加而下降,但平面波阻则无变化(恒为377)。


相反,如果波源是一个小型线圈,则此时将以磁场为主,离波源越近波阻越低。波阻随着与波源距离的增加而增加,但当距离超过波长的六分之一时,波阻不再变化,恒定在377处。


反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化,因此它不仅取决于波的类型,而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽的设备。


近场反射损耗可按下式计算


R(电)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:波源与屏蔽之间的距离。


SE算式最后一项是校正因子B,其计算公式为


B=20lg[-exp(-2t/σ)]


此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子是个负数,表示屏蔽效率的下降情况。

EMI抑制策略


只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低,另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低,还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。综上所述,选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂,通常要向EMI屏蔽材料供应商以及有关咨询机构寻求解决方案。


在高频电场下,采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果,但条件是屏蔽必须连续,并将敏感部分完全遮盖住,没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作,因此就会有缝隙需要接合,另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。


设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙,而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔,从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免,但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。


任一频率电磁波的波长为: 波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)


当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重,因为它的波长越短。当涉及到最高频率时,必须要考虑可能会出现的任何谐波,不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。


一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度,就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减,因此当存在小于150mm的缝隙时,1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲,若需要衰减20dB,则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10),需要衰减26dB时,缝隙应小于7.5 mm(15mm的1/2以上),需要衰减32dB时,缝隙应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。


可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内,从而实现这种衰减效果。

 
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