結構設計EMC知識交流

1、結構設計EMC知識交流本PPT期望達到的目標1.結構工程師對產(chǎn)品EMC有一個全面、感性的認識2.了解結構設計在產(chǎn)品EMC設計過程中所處的位置及重要性3.了解EMC基礎知識、接地基礎知識、濾波基礎知識4.掌握結構屏蔽相關知識、屏蔽罩的設計及濾波器的安裝注意事項5.在遇到有屏蔽效能要求的機箱、模塊盒設計時，能合理設計結構，合理選用電磁密封襯墊EMC基礎知識 常用術語常用術語1. 電磁兼容(Electromagnetic Compatibility簡稱EMC): 設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中正常工作， 并不對該環(huán)境中的任何東西產(chǎn)生不能承受的電磁騷擾的能力2.電磁干擾(Electromagnetic In

2、terference簡稱EMI) 電磁騷擾引起的設備,傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降3.電磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility簡稱EMS) 對電磁環(huán)境所呈現(xiàn)的不希望有的響應程度，敏感度閾值越小，抗擾度越差4.電磁輻射 能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象 在電磁騷擾下，設備或系統(tǒng)性能出現(xiàn)下降的情況5.電磁發(fā)射(electromagnetic emission) 從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象6.(對騷擾的)抗擾度(immunity to a disturbance) 在電磁騷擾下，設備工作時不產(chǎn)生性能降低的能力電磁兼容設計目的電磁兼容設計目的一、產(chǎn)品可靠性要求： 設備內(nèi)部

3、的電路相互不產(chǎn)生干擾，達到預期的功能； 設備產(chǎn)生的電磁干擾強度低于特定的極限值； 設備對外界的電磁干擾有一定的抵抗力；二、外部要求： 目前很多國家和區(qū)域聯(lián)盟都要求進入其市場的產(chǎn) 品必 須符合相應的EMC標準，并通過認證。 例如：GJB151A、美國的FCC認證、日本的VCCI認證、歐盟的CE認證、中國的3C認證等各種認證電磁兼容標準電磁兼容標準分析環(huán)境中的各種電磁干擾分析設備受電磁干擾的機理編成電磁兼容標準保證各類電子設備的正常工作及良好的電磁環(huán)境電磁兼容國家標準體系電磁兼容國家標準體系 電磁兼容標準 干擾發(fā)射 敏 感 度 傳 導 輻 射 傳 導 輻 射電源線信號/控制線天線端口 電 場 磁

4、場 電源線/信號線 射頻 瞬態(tài)天線端口 電 場 磁 場 靜 電放電 電磁兼容標準的內(nèi)容電磁兼容標準的內(nèi)容GJB151AGJB151A：規(guī)定軍用電子、電氣、機電每個單獨設備和分系統(tǒng)的電磁發(fā)射和敏感度特性要求，包括：傳導發(fā)射：電源線、天線端子輻射發(fā)射：電場、磁場傳導敏感度：電源線、互連線、機殼輻射敏感度：電場、磁場我司產(chǎn)品涉及的我司產(chǎn)品涉及的EMC標準標準以公司某款產(chǎn)品試驗為例： GB17626.2靜電放電抗擾度試驗 GB17626.3 射頻電磁輻射抗擾度試驗 GB17626.4 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗 GB17626.5-1999 浪涌沖擊抗擾度試驗 GB17626.6 射頻場感應的傳導騷擾

5、抗擾度 EN 55022 2006EMC 三要素三要素干擾源：變化的工作電壓或工作電流 敏感設備：耦合途徑：傳導：以電流的形式被電路布線引導和傳遞輻射：以電磁波的形式被等效天線在空間發(fā)射、接受抑制騷擾源抑制騷擾源 盡可能減小騷擾源的du/dt,di/dt,這是抗干擾設計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則 減小du/dt，主要是指通過在騷擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn) 減小di/dt，主要是指在騷擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)減小敏感度減小敏感度 對于模擬電路：只要輸入信號上混有即使很小的噪聲，輸出信號上一定存在噪聲的影響，只是程度不同而已 對于數(shù)字電路：一般來說，數(shù)字電路的閾值電平熱高，傳輸延

6、時時間越長（即工作速度越慢），輸出阻抗越低，敏感度門限就越高，抗干擾能力越強耦合途徑耦合途徑 傳導耦合：低于30MHz的耦合，分為直接耦合、漏電耦合、公共阻抗耦合、電容耦合、電磁感應耦合 措施：在騷擾進入敏感設備之前，用濾波的方法從導線上去除噪聲 輻射耦合：高于30MHz的耦合，通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾 措施：增加距離、合理接地、敏感器件上加屏蔽罩 1 測試修改法（輕） 2 系統(tǒng)設計法（重）可采取的措施 電路結構屏蔽 元器件 濾波 軟件成本成本措施措施 概念 設計 產(chǎn)品 市場階段電磁兼容的工程方法電磁兼容的工程方法產(chǎn)品產(chǎn)品EMC設計步驟設計步驟1、產(chǎn)品EMC認證需求書：根據(jù)產(chǎn)品目標市場

7、定位和產(chǎn)品的形態(tài)2、產(chǎn)品EMC設計規(guī)格書：確認結構設計屏蔽效能的等級、電纜的屏蔽形式、濾波器的型號和功能參數(shù)、濾波連接器的選用3、產(chǎn)品系統(tǒng)EMC設計：結構設計、電纜設計、電源配電設計4、產(chǎn)品EMC結構詳細設計：結構總體屏效設計方案、縫隙屏蔽設計方案、進出線屏蔽設計方案、屏蔽材料選擇方案5、產(chǎn)品EMC階段評審：結構樣機試裝EMC檢視建議書EMC設計5方面 接地技術：模塊盒、機架提供產(chǎn)品安全地 濾波技術：了解濾波器的安裝 屏蔽技術：與結構密切相關 元器件選型 PCB布局接地基礎知識接地定義及種類接地定義及種類 接地：電氣連接到能提供或接受大量電荷的物體上（如大地、機箱外殼等）或者說是電流返回其源的

8、低阻抗通道。 接地種類：保護接地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防靜電接地 保護接地：是為了保護設備、裝置、電路及人身的安全 工作接地：是單板、背板或系統(tǒng)之間信號的等電位參考或參考平面，它給信號回流提供了低的阻抗通道 防雷接地：由于雷電放電電流一般是脈沖性的大電流（可高達上百、千安），為防止人及物體遭到雷擊，這些物體可以是天線、大樓、電子或電氣設備等接地定義及種類（續(xù)）接地定義及種類（續(xù)） 屏蔽接地：為了防止電磁輻射和干擾，系統(tǒng)設計中常采用結構屏蔽的方法，可以降低屏蔽體以外的電磁場強度，也可以保護屏蔽接地體內(nèi)的設備免受外界電磁場的干擾影響 靜電接地：當人手觸摸電子裝備時，由人體附帶的數(shù)千伏的靜

9、電電壓，會對設備中的電子器件發(fā)生放電，雖然靜電的能量不高，但產(chǎn)生的瞬時電流足夠大，有可能造成電子器件的損壞，如機箱上裝了防靜電手腕屏蔽接地目的屏蔽接地目的 1.保證接地回路具有很低的公共阻抗，使系統(tǒng)中各路電流通過該公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導噪聲電壓最小 2.在有高頻電流的場合，保證信號地對大地有較低的共模電壓，使通過信號地產(chǎn)生的輻射噪聲最低 3.保證地線與信號線構成的電流回路具有最小的面積，從而 1）使外界干擾磁場穿過該回路產(chǎn)生的差模干擾電壓最小 2）避免由地電位差通過地回路引起過大地電流，造成傳導干擾四種接地方式四種接地方式 單點接地：適用于f10MHz的場合，接地導線長，難以保證接地的低阻抗，

10、會產(chǎn)生明顯的接地導線間的電磁耦合，接地導線長度宜1/20 混合接地： 串、并聯(lián)單點混合接地：適用于較為復雜的低頻f1MHz 單點、多點混合接地：適用于高、低頻1MHzf10MHz 懸浮接地：手機接地、艦載設備屏蔽罩接地點屏蔽罩接地點（結構相關）（結構相關） 為防止多級小信號放大器和高增益放大器自激通常會考慮屏蔽罩 屏蔽罩接地點選擇在輸出端地線上，以消除輸出端對輸入端的干擾 對于弱電平高靈敏度的信號電路，為了提高工作穩(wěn)定性，有時需要采用雙層屏蔽，內(nèi)、外層屏蔽罩之間單點接地，兩屏蔽層間的連接以及外屏蔽罩的接地都在信號電路的輸出端，外屏蔽罩對基準地使用單點接地單板接地單板接地 單板直接接地的點數(shù)越多

11、、效果越好 一般要求數(shù)字單板接地螺釘?shù)慕拥亻g距8-10cm 屏蔽電纜一定要接機殼地常用接地符號常用接地符號 GND：單板及背板工作地 PE、PGND 、FG：保護地或機殼地，交流配電時用PE標識 BGND 、DC-RETURN：直流-48V(+24V)電流回流 DGND：單板數(shù)字地 AGND：單板模擬地 LGND：防雷保護地接地系統(tǒng)示例接地系統(tǒng)示例結構屏蔽知識產(chǎn)品產(chǎn)品EMC屏蔽設計屏蔽設計 定義：就是用導電或導磁材料制成盒、殼、板和柵將電磁場限制在一定的空間范圍內(nèi)，使電磁場從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r受到很大的衰減，從而抑制電磁場干擾的擴散，根據(jù)功能不同分為： 電屏蔽：靜電或電場屏蔽，防止或抑制

12、寄生電容耦合 磁屏蔽：防止磁感應，抑制寄生電感耦合 電磁屏蔽：防止或抑制高頻電磁場干擾電屏蔽電屏蔽 靜電屏蔽：抑制靜電感應 近場電屏蔽：抑制寄生電容耦合32CCCCEUgsgsgSSgsgsgSCCCEU結構設計要點結構設計要點 1.增加金屬屏蔽物，并且有良好接地，并且選好接地點，盡量靠近被屏蔽元件 2.屏蔽板的材料以良導體為好，如銅、鋁，但對厚度并無要求，只要有足夠強度就可以了 3.高頻時，屏蔽體表面鍍銀，提高屏蔽效能 4.使相互耦合的兩導體或兩元器件相互遠離結構設計要點（續(xù)）結構設計要點（續(xù)）5.合理設計屏蔽體的結構 1）單層蓋結構：屏蔽體涂覆處理時，確保良好電連接 2）雙層門蓋結構：兩層

13、蓋中央避免直接接觸，當蓋間距離很小時，要墊絕緣層 3）屏蔽盒的共蓋和分蓋結構：分蓋等效雙層蓋，共蓋等效單層蓋雙層蓋屏蔽結構示例雙層蓋屏蔽結構示例共蓋和分蓋結構示例共蓋和分蓋結構示例低頻磁場屏蔽低頻磁場屏蔽 定義：通常是對直流或甚低頻磁場的屏蔽，其效能比對電場屏蔽和電磁場屏蔽要差得多，因此磁場屏蔽是個棘手的問題。 產(chǎn)生機理：主要是依賴高導磁材料所具有的低磁阻，對磁通起著分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場大大減弱。H1H0磁場屏蔽的機理結構設計要點結構設計要點 1.當工作頻率f10MHz，用高磁導率的鐵氧體材料（如鐵、硅鋼片、坡莫合金等），對干擾磁場進行分路，從而保護被屏蔽體不受磁場干擾； 2.屏蔽

14、體磁導率隨外界磁場強度、頻率會發(fā)生變化，較厚材料的磁導率隨頻率變化下降的快些，材料磁導率越高，越容易飽和，一旦飽和就會失去磁屏蔽作用，所以材料的磁導率和飽和特性需要同時考慮；結構設計要點（續(xù)）結構設計要點（續(xù)） 3.適當增加屏蔽體的壁厚，能夠減少屏蔽體的磁阻； 4.被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減少通過被屏蔽物體體內(nèi)的磁通； 5.高導磁率材料在機械沖擊的條件下會極大地損失磁性 , 導致屏蔽效能下降。例如坡莫合金 , 經(jīng)機械加工后未經(jīng)退火處理時的磁導率僅為退火后磁導率的 5% 左右 結構設計要點（續(xù)）結構設計要點（續(xù)）6.合理設計屏蔽體的結構：在垂直于磁力線方向不應開口或有縫隙

15、。因為若縫隙垂直于磁力線 , 則會切斷磁力線 , 使磁阻增大 , 磁屏蔽效果變差。7.接縫常用的連接方式有熔焊、點焊、鉚接和螺釘連接，熔焊具有最佳的屏蔽性能，點焊、鉚接、螺釘連接注意應有足夠的重疊及適當?shù)墓潭ㄩg距8.當需要屏蔽的磁場很強時，可增加屏蔽體壁厚，壁厚不宜超過2.5mm，還可考慮雙層屏蔽，雙層屏蔽體材料可相同也可不同，外層磁場強，外層選用飽和磁感應強度高的材料常用合金磁特性常用合金磁特性磁屏蔽結構示例磁屏蔽結構示例高頻磁場屏蔽高頻磁場屏蔽 定義：是利用電磁感應現(xiàn)象在屏蔽殼體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場來達到屏蔽目的高頻磁場反磁場結構設計要點結構設計要點 1.屏蔽材料宜選用良導體材料，常用

16、鋁、銅及銅鍍銀等，電阻愈小，產(chǎn)生渦流愈大 2.由于高頻電流的集膚效應，渦流僅在屏蔽盒的表面薄層流過，無須從屏蔽效果考慮屏蔽體厚度，一般取0.2mm0.8mm即可 3.屏蔽盒在垂直于渦流的方向上不應有開口或縫隙 4.磁屏蔽盒是否接地不影響磁屏蔽效果屏蔽盒結構示例屏蔽盒結構示例電磁場屏蔽電磁場屏蔽定義：綜合考慮對電場、磁場的屏蔽，電磁波通過金屬或對電磁波有衰減作用的阻擋層時，會受到一定程度的衰減。 屏蔽效果： S=A+R+B S:總的屏蔽效果 A:吸收損耗的衰減 R:反射損耗的衰減 B:金屬內(nèi)容多次反射衰減用于屏蔽的金屬特性用于屏蔽的金屬特性屏蔽效能要點屏蔽效能要點 以屏蔽層與場源距離為某一定值情

17、況下，場源頻率由低頻到高頻變化為例： 1.以/6為分界線，與場源距離/6,屬遠場區(qū)域，以電磁場為主 2.在低頻端，屏蔽層處于近場區(qū)，吸收損耗小，以反射損耗為主，近區(qū)電場的反射損耗大于磁場的反射損耗，低頻磁場難屏蔽 3.在高頻端，屏蔽層處于遠場區(qū)，反射損耗隨頻率上升下降，吸收損耗加快 4.屏蔽層厚、場源頻率高，以吸收損耗為主，屏蔽層薄、場源頻率低，以反射損耗為主實際屏蔽體的問題實際屏蔽體的問題通風孔顯示屏鍵盤指示燈電纜插座按鈕實際機箱上有許多泄漏源：不同部分結合處的縫隙、通風孔、按鍵、指示燈、顯示屏、信號線、電源線等電源線縫隙縫隙屏蔽縫隙屏蔽 縫隙泄露產(chǎn)生機理：接觸上的點相當于電阻，沒有接觸上的

18、相當與電容，整個縫隙就是許多電阻和電容的并聯(lián)，縫隙阻抗越小，電磁泄露越小。增加屏蔽深度t、減小縫隙長度L，屏蔽效能會提高縫隙屏蔽類型縫隙屏蔽類型1.永久性接縫：連接在一起后不再分離的接縫，如機箱底板多個面折彎后的縫隙2.非永久性（可拆式）接縫：零件裝配后形成的風險，如機箱底板、蓋板裝配，可插拔單盤裝好后與周圍形成的縫隙永久縫隙屏蔽措施永久縫隙屏蔽措施 1.一般采用焊接工藝，如熔焊、釬焊、點焊及鉚接 熔焊：是指焊接過程中，將焊接接頭在高溫等的作用下至熔化狀態(tài)，分為電弧焊、激光焊、氣體保護焊 釬焊：用比母材熔點低的釬料和焊件一同加熱，使釬料熔化(焊件不熔化)后潤濕并填滿母材連接的間隙，釬料與母材相

19、互擴散形成牢固連接的方法。 點焊：鈑金廠家比較多見的設備，工作時兩個電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，而焊接電流從一電極流經(jīng)另一電極時在兩接觸電阻點形成瞬間的熱熔接，且焊接電流瞬間從另一電極沿兩工件流至此電極形成回路，不傷及被焊工件的內(nèi)部結構永久縫隙屏蔽措施（續(xù)）永久縫隙屏蔽措施（續(xù)）2.增加縫隙深度:同樣重疊情況下，屏蔽效能隨頻率升高而降低3.在接縫處涂上導電涂料，供屏蔽使用的導電涂料用銀粉與環(huán)氧樹脂配置而成，常用的有導電膠、導電脂，導電膠固化后永久連接，導電脂用于活動的端面和鉸鏈軸承處非永久縫隙屏蔽措施非永久縫隙屏蔽措施1.增加縫隙深度2.調(diào)整螺釘間距3.縫隙處使用

20、導電填膠，是一種不固化的導電膠4.使用電磁密封襯墊高強度、高彈性、高屏蔽效果耐腐蝕性強、抗疲勞強度高材料分為鈹青銅、磷銅、不銹鋼 金屬簧片金屬簧片L型、矩型、型、矩型、D型導電布襯墊型導電布襯墊由泡棉和導電布組成，導電布由Ni/Cu、鋁箔、銅箔等形式泡棉芯的可壓縮性和回彈力使其適合低封閉力的場合要求 型導電布襯墊型導電布襯墊適合于型材截面安裝金屬絲網(wǎng)條金屬絲網(wǎng)條是由金屬絲網(wǎng)包覆氯丁橡膠或硅橡膠芯組成，良好的壓縮性和回復力能提供對灰塵、雨水和其他有限環(huán)境條件下的密封金屬絲材料主要為Monel（鎳銅合金），具有良好的屏蔽性能和抗腐蝕性能導電橡膠導電橡膠 材料分類配方 - Ag/Cu 導電橡膠 Ag

21、/Al 導電橡膠 Ag/Glass導電橡膠 添加玻璃銀導電粉 Ni/C 導電橡膠 C導電橡膠 制造分類- 擠出類根據(jù)截面要求定制，有連續(xù)的長度 共擠出類導電與不導電橡膠組合復雜形狀 模壓類：通過使用特殊的模具在高溫高壓下生產(chǎn) 共模壓類導電與不導電橡膠組合復雜形狀 共擠共模一般用于耐腐蝕性要求較高的場合 導電性好、耐腐蝕性差 耐腐蝕性置于外側，導電性置于內(nèi)側 共擠出導電橡膠共擠出導電橡膠接插件專用導電橡膠產(chǎn)品接插件專用導電橡膠產(chǎn)品導電橡膠多種截面形狀導電橡膠多種截面形狀實心圓形實心圓形實心實心D型型實心矩形實心矩形空心圓形空心圓形空心空心D型型模壓板模壓板接頭襯墊接頭襯墊O型圈型圈雙峰共擠雙峰共

22、擠共模壓共模壓EMI 屏蔽膠帶屏蔽膠帶銅鋁導電布是一種帶高導電背膠的導電箔帶，其背膠和導電箔帶組成完整的導電體，可與任何金屬以粘結方式完成電搭接和縫隙電屏蔽，多用于測試時臨時使用螺旋管電磁密封襯墊螺旋管電磁密封襯墊有不銹鋼和鍍錫鈹銅采用溝槽式安裝一般具有PVC內(nèi)芯，內(nèi)芯是防止在使用過程中過量壓縮而導致?lián)p壞 各種縫隙屏蔽材料比較各種縫隙屏蔽材料比較 各種縫隙屏蔽材料比較（續(xù)）各種縫隙屏蔽材料比較（續(xù)）襯墊種類優(yōu)點缺點適用場合導電橡膠具有環(huán)境密封和電密封作用需要的壓力大，價格高需要環(huán)境密封和較高屏蔽效能的場合金屬絲網(wǎng)成本低高頻屏蔽效能低適用于1GHz以下的場合指型簧片不宜損壞價格高，沒有環(huán)境密封要

23、求有滑動接觸的場合，屏蔽性能要求較高的場合螺旋管屏蔽效能高，價格低，復合型能同時提供環(huán)境密封和電磁密封過量壓縮時容易損壞屏蔽性能要求較高的場合，有良好壓縮限位的場合，同時需要環(huán)境密封和高屏蔽效能場合多重導電橡膠彈性好價格低可以提供環(huán)境密封表面導電層較薄在反復摩擦的場合容易脫落導電布襯墊柔軟，需要壓力小價格低濕熱環(huán)境中容易損壞對于屏蔽性能要求不高的場合電磁密封襯墊選型考慮方面電磁密封襯墊選型考慮方面 1.屏蔽效能，環(huán)境密封性能 2.根據(jù)可利用的結構空間考慮安裝方法 3.襯墊材質及形狀、壓縮量、永久壓縮變形率 4.同時考慮機械耐久性、電腐蝕性、成本、襯墊使用壽命通風孔屏蔽通風孔屏蔽 影響因素：場源

24、特性，距離場源距離、電磁場頻率、空洞面積和空洞形狀，與空洞的最大線性尺寸密切相關通風孔屏蔽措施通風孔屏蔽措施 1.覆蓋金屬絲網(wǎng)特點： 1）與網(wǎng)絲直徑、網(wǎng)孔疏密程度、網(wǎng)材電導率有關，網(wǎng)孔越小、電導性越好，屏蔽效果越好； 2）適合于頻率f100MHz的環(huán)境 2) 低于截止頻率fc的電磁波不能通過波導管，高于截止頻率fc的電磁波可以通過； 3)選型：按fc確定波導管截面形狀，按屏蔽效能確定波導管的長度，根據(jù)散熱要求確定波導管面積通風窗示例通風窗示例1.金屬絲網(wǎng) 2.截止波導面板上開孔屏蔽面板上開孔屏蔽 面板上開孔類型：燈孔、RJ45、RS232、開關、按鍵以及各種形式的光口法蘭開孔 解決措施： 1）與面板平行 2）與面板垂直面板上開孔屏蔽（續(xù)）面板上開孔屏蔽（續(xù)） 3）LED燈孔，導光柱孔，直徑小于5mm的孔建議不用考慮 4）對屏蔽要求較高的法蘭，可選用自身具有EMC功能的型號，價格貴，采購周期長顯示屏開孔屏蔽顯示屏開孔屏蔽 1.采用透明屏蔽材料 1）兩層玻璃之間粘接金屬網(wǎng)，適合高頻，屏蔽效能較高 2）玻璃和透明塑料膜上鍍導電層，適合于低頻 2.透明屏蔽材料安裝