EMC(電磁兼容性)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)

1、EMC (電磁兼容性)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ),1.EMC(電磁兼容性)概述,1.1 電子系統(tǒng)的電磁兼容性,EMC (電磁兼容性)技術(shù)的早期僅僅考慮對無線電通信、廣播有影響的射頻干擾。隨著干擾源范圍的擴(kuò)大及電磁能量應(yīng)用形式的增多，電磁騷擾不在局限于輻射，還要考慮感應(yīng)、耦合和傳導(dǎo)等引起的電磁干擾。電磁干擾除影響電子系統(tǒng)和設(shè)備的正常工作外，對人體健康也會造成有害的影響。,電磁兼容性定義,電磁兼容性研究中經(jīng)常涉及以下術(shù)語 a.電磁騷擾與電磁干擾-電磁騷擾是指任何可能引起器件、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低的電磁現(xiàn)象，電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介本身的變化；電磁干擾強(qiáng)調(diào)的是電磁騷擾現(xiàn)象所造成的后果。平時人們不予

2、嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為電磁干擾（EMI）.,b.抗干擾度與電磁敏感度-抗干擾度是指存在電磁騷擾的情況下，器件、設(shè)備或系統(tǒng)性能不降低條件下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)能力；敏感度衡量的是電子設(shè)備或分系統(tǒng)對電磁環(huán)境所呈現(xiàn)的不希望有響應(yīng)程度。敏感度閾值越小，抗擾度越差。多用電磁敏感度表示 （ EMS） C.電磁兼容性-器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運(yùn)行，并且不對其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。EMC涵蓋了EMI、EMS兩方面。為實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互不干擾、兼容運(yùn)行，既要控制騷擾源的電磁發(fā)射，又要提高受騷擾對象的抗擾度。,1.2電磁干擾三要素,任何一對復(fù)雜系統(tǒng)或裝置之間的電磁騷擾和響應(yīng)過程，均可簡化為用輻射發(fā)射

3、和傳導(dǎo)發(fā)射來描述騷擾源；用輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度來描述感受器。是否造成危害，還受耦合途徑的制約。 1).騷擾源 騷擾源可分為自然騷擾源和人為騷擾源 a.自然騷擾源包括地球上各處的雷雨、閃電產(chǎn)生的天電噪聲，太陽黑子爆炸和活動產(chǎn)生的噪聲以及銀河系的宇宙噪聲。 b.人為騷擾是由機(jī)電或其他人工裝置產(chǎn)生的電磁騷擾，騷擾源包括：各種無線電發(fā)射裝置、各種射頻設(shè)備；高壓設(shè)備、家用電器等等。隨著科技的進(jìn)步人為騷擾源會越來越多。,c. 靜電 當(dāng)兩種介電常數(shù)不同的絕緣材料直接接觸,特別是相互摩擦?xí)r,兩者間會發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移而各自帶有不同的電荷,這種現(xiàn)象稱為靜電充電.人體同樣也會發(fā)生靜電充電,氣候愈干燥,感應(yīng)的電荷量愈

4、大.一般人體的充電電壓可達(dá)20KV,當(dāng)帶有靜電高壓的人員觸及電子設(shè)備時,就會發(fā)生放電現(xiàn)象,放電火花產(chǎn)生的電磁干擾會使電子系統(tǒng)失靈或發(fā)生故障. 消除靜電危害宜采取以下措施: 采用導(dǎo)電纖維編織的地毯或抗靜電地板; 操作人員穿著防靜電工作服和工作鞋,并戴上接地的導(dǎo)電手鐲; 把空氣的相對濕度增加到60-70,借助加大潮氣的含量來增加絕緣材料的導(dǎo)電率,防止靜電積累. 將系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)所有的金屬構(gòu)件用導(dǎo)電條連接起來,消除系統(tǒng)中任何兩個金屬物體之間由靜電感應(yīng)而引起的電位差.,2).電磁騷擾的傳播,a.傳導(dǎo)干擾 沿電源線或信號線傳輸?shù)碾姶膨}擾稱為傳導(dǎo)干擾.電子系統(tǒng)內(nèi)各單元電路之間存在各種連線,如電源線、信號互連

5、線及公共地線等，就有可能使一個設(shè)備的電磁能量沿著這類導(dǎo)線傳輸?shù)脚B設(shè)備和單元電路，造成干擾。 b.輻射干擾 輻射干擾是指通過空間傳導(dǎo)的電磁騷擾。騷擾源的電路、輸入輸出信號電路和控制電路的導(dǎo)線在一定條件下都可構(gòu)成輻射天線，當(dāng)騷擾源的外殼流過高頻電流時，外殼本身也就成為輻射天線。,3）電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的基本要求,a.優(yōu)化信號設(shè)計 傳輸信息的電信號需要占用一定的頻譜。為盡量減小干擾，對有用信號應(yīng)規(guī)定必要的最小占用帶寬，這有賴于優(yōu)化信號波形。 b.完善線路設(shè)計 應(yīng)設(shè)計和選用自身發(fā)射小、抗干擾能力強(qiáng)的電子線路作為電子設(shè)備的單元電路。 C.屏蔽 用屏蔽體將干擾源包封起來，可以防止干擾電磁場通過空間向

6、外傳播；反之，用屏蔽體將感受器包封，就可以使感受器免受外界空間電磁場的影響。屏蔽技術(shù)雖然能有效地阻斷電磁干擾的傳播通道，但是它又可能使設(shè)備的通風(fēng)散熱困難、維修不便，并導(dǎo)致重量、體積和成本的增加。所以應(yīng)采用合理的措施，以最佳的效/費比來滿足電磁兼容性的要求。,d.接地與搭接 不管是否與大地有實際連接，只要為電源和信號電流提供了回路和基準(zhǔn)電位，就通稱為接地。電子設(shè)備接地是抑制噪聲和防止干擾的重要措施之一。設(shè)計中如能周密設(shè)計地線系統(tǒng)，綜合使用接地、濾波和屏蔽等措施，往往可事半功倍，有效地提高設(shè)備的電磁兼容性。 e.濾波 濾波是借助抑制元件將有用信號頻譜以外不希望通過的能量加以抑制。它既可以抑制干擾源

7、的發(fā)射，又可以抑制干擾源頻譜分量對敏感設(shè)備、電路或元件的影響。濾波雖能十分有效地抑制傳導(dǎo)干擾，但制造大容量、寬頻帶的抗電磁干擾濾波器的代價非常昂貴。,f.合理布局 合理布局包括系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)各單元之間的相對位置和電纜走線等，其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠(yuǎn)離，輸入與輸出端口妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而又費用不多。,2.EMC(電磁兼容性)的屏蔽設(shè)計,概述：用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻挠靡砸种齐妶?、磁場及電磁場干擾的盒、殼、板和柵、網(wǎng)、管等稱為屏蔽。屏蔽有兩個目的，一是限制內(nèi)部的輻射電磁能量泄露，二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入某一區(qū)域。根據(jù)其

8、抑制功能的不同，屏蔽可分為： 電屏蔽-對靜電場或交變電場的屏蔽 磁屏蔽-對恒磁場或交變磁場的屏蔽 電磁屏蔽-對電磁場的屏蔽,2.1 電場屏蔽 a.原理- 電場的屏蔽是在干擾源和敏感單元之間設(shè)置良好接地的金屬屏障,就可以抑制干擾源電場對敏感單元的影響.,b. 電屏蔽的設(shè)計要點 1)屏蔽體必須良好接地-接地電阻一般應(yīng)小于2m,嚴(yán)格的場合應(yīng)小于0.5m.為減小接地電阻,可選用橫截面和周長較大的導(dǎo)線.為減小接地線的感抗,要盡量減少導(dǎo)線的長度. 2)正確選擇接地點-屏蔽體的接地點應(yīng)靠近被屏蔽的低電平元件的入地點,避免低電平電路的地線流過較大的地電流. 3)合理設(shè)計屏蔽體的形狀-用全封閉的盒體最好. 4)

9、選擇導(dǎo)電性能好的導(dǎo)體做屏蔽體,如銅、鋁等。高頻時，屏蔽體表面鍍銀。,c. 電場屏蔽的結(jié)構(gòu) 1)單層蓋結(jié)構(gòu)-屏蔽體用單層蓋的屏蔽盒, 為減少盒體與盒蓋的接觸電阻應(yīng)盡量增加盒體與盒蓋間的接觸面積.,2)雙層蓋結(jié)構(gòu)-采用雙層屏蔽蓋結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高屏蔽的效能.此時盒體的內(nèi)表面與內(nèi)屏蔽蓋構(gòu)成一個屏蔽盒,而盒體的外表面與外層屏蔽蓋又構(gòu)成了另一個屏蔽盒.因此,可以大大提高屏蔽效果.,3)屏蔽盒的共蓋和分蓋結(jié)構(gòu)-在有隔板的屏蔽盒體內(nèi)采用分開的屏蔽蓋,可以減少其間的寄生耦合電容.分開的屏蔽蓋結(jié)構(gòu)的屏蔽效果優(yōu)于一個屏蔽蓋的結(jié)構(gòu).為提高共蓋結(jié)構(gòu)的屏蔽效果,應(yīng)盡量減小蓋子與隔板之間電連接的縫隙.,4)印制導(dǎo)線屏蔽-

10、單面印制電路板,在信號線之間設(shè)置接地的印制線可起屏蔽作用.雙面印制電路板,除在信號線之間設(shè)置接地線之外,其背面的銅箔也接地.,2.2 磁場屏蔽-磁場的頻率不同,采取的磁屏蔽原理也不同. a.低頻磁場的屏蔽 1)原理-恒磁場或低頻交變磁場(f100Hz)的屏蔽方法是選用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料進(jìn)行磁分路. 由于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率大的多,所以鐵磁性材料的磁阻很小.將鐵磁性材料置于磁場中時,磁通主要通過鐵磁性材料,而通過空氣的磁通將大為減小,從而起到磁場屏蔽的作用.,2)低頻磁屏蔽的設(shè)計要點 -選擇相對磁導(dǎo)率高的材料做屏蔽體 -被屏蔽元件和屏蔽盒之間應(yīng)選擇合適的間隙 （被屏蔽元件與屏蔽盒之間

11、越大,有利于提高屏蔽效果.但是,間隙過大,將是屏蔽盒變大,給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來困難,同時也增加了成本.） -選擇足夠的屏蔽盒厚度 （增大壁厚有利于減小磁阻,使得磁分路效果更加明顯,但壁厚的大小還應(yīng)考慮成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)尺寸等因素。） -注意屏蔽盒的安裝方向 （對于橫截面為矩形的屏蔽盒，安裝時應(yīng)使其長邊平行于磁感線方向）,3）低頻磁場屏蔽的結(jié)構(gòu)設(shè)計 -減小屏蔽盒接縫的磁阻 （屏蔽盒多為鈑金制作，盒體的接縫處存在一定的間隙，盒與蓋之間也有間隙，這些都會增大磁阻。為了減小屏蔽盒蓋接縫處的磁阻，對較薄的板材0.8MM可以采用翻邊卷口連接；對較厚的板材0.82.5MM可以采用搭接點焊、鉚接和用導(dǎo)磁材料蜜焊，

12、其搭接高度不小于8MM； 為增大盒體與盒蓋的套入深度一般不大于10MM，并用螺釘連接以減小接縫磁阻。,-屏蔽盒接縫位置應(yīng)平行于磁場 （當(dāng)磁場垂直于屏蔽盒的接縫時，接縫切斷磁感線，磁通流經(jīng)接縫處會遇到較大的磁阻。若磁場平行于接縫，則磁阻較小。要做到此，首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就要安排好接縫的位置。二是要在安裝時注意接縫的位置不要影響磁路。）,-正確布置屏蔽盒上的通風(fēng)孔和接線孔 （屏蔽盒上開通風(fēng)孔、接線孔時，應(yīng)注意其尺寸大小和方向布局，要求盡量少地削弱導(dǎo)磁截面積，不增加導(dǎo)磁回路的長度，即盡量減小屏蔽體的磁阻。）,-雙層磁屏蔽 （要得到高的屏蔽效果，往往采用高磁導(dǎo)率材料和增加材料厚度的辦法，但是，選用高磁導(dǎo)

13、率材料和增加材料厚度都是有限度的，此時，可以采用雙層磁屏蔽結(jié)構(gòu)。）,b. 高頻磁場的屏蔽 1)原理-高頻交變磁場指的是高頻電磁場中的磁場分量,利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面產(chǎn)生的渦流的反磁場來達(dá)到高頻磁場屏蔽的目的,也就是利用渦流反磁場對原干擾磁場的排斥作用,來抑制或抵消屏蔽體外的磁場.,2)高頻磁屏蔽的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點 -選擇相對電導(dǎo)率高的材料做屏蔽體.屏蔽盒的電阻越小,產(chǎn)生的渦流越大. -由于高頻電流的集膚效應(yīng),渦流僅在屏蔽體的表面薄層流過,而屏蔽體內(nèi)層被表面渦流屏蔽,所以高頻磁屏蔽盒無需做的很厚,一般取0.2-0.8MM. -屏蔽盒在垂直于渦流方向不應(yīng)開孔或有縫隙.在垂直與渦流的方向開孔或有縫

14、隙,將切斷渦流,削弱反磁場對原干擾磁場的抵消作用,使屏蔽效果變差.若縫隙和開孔沿著渦流方向,則對屏蔽效果的影響較小.一般屏蔽盒上的縫隙和開孔尺寸不大于原磁場波長的1/50-1/100. - 屏蔽盒是否接地不影響磁屏蔽效果.但是接地,則此屏蔽盒同時具有電場屏蔽和磁場屏蔽的作用.,2.3電磁場的屏蔽 a.電磁場的屏蔽原理 利用導(dǎo)電良好的屏蔽材料,如鋁板、鋁箔、銅板、銅箔或在塑料機(jī)箱上鍍鎳或銅，利用它們對干擾電磁波的反射、吸收和多次反射作用，衰減干擾電磁場的能量，達(dá)到屏蔽效果。 b.設(shè)計要點 -選用高導(dǎo)電率材料 -依據(jù)電磁場的屏蔽原理合理確定尺寸和結(jié)構(gòu)形式 -即使屏蔽物的壁厚很小也可取得較好的屏蔽效

15、果，故確定屏蔽物材料的厚度時，主要考慮其工藝性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,c.電磁場的屏蔽結(jié)構(gòu) 電磁屏蔽是對電磁波的屏蔽，其對屏蔽材料的性能要求與靜電屏蔽相同，都是高導(dǎo)電體。但是靜電屏蔽的重點要求屏蔽體必須接地。而影響屏蔽體電磁屏蔽效能的不是屏蔽體是否接地，而是屏蔽體導(dǎo)電的連續(xù)性。電磁屏蔽對屏蔽體的導(dǎo)電性能要求比靜電屏蔽高的多。 屏蔽結(jié)構(gòu)可分為:屏蔽格結(jié)構(gòu)、獨立屏蔽盒結(jié)構(gòu)、雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。,1）縫隙結(jié)構(gòu)-屏蔽盒的接縫是電磁波的泄露源。解決的方法是在縫隙處使用電磁密封襯墊。電磁密封襯墊是一種導(dǎo)電的彈性材料，它能夠保持縫隙處的導(dǎo)電的連續(xù)性。電磁密封襯墊可以是導(dǎo)電的金屬網(wǎng)、銀粉導(dǎo)電橡膠等?，F(xiàn)在又出現(xiàn)了一些新的導(dǎo)電材料

16、，如導(dǎo)電膠、導(dǎo)電膩子、導(dǎo)電潤滑脂等。,2）孔洞結(jié)構(gòu) 機(jī)箱上散熱孔、觀察孔和穿過機(jī)箱的電纜也是造成機(jī)箱屏蔽效能下降的主要原因。機(jī)箱上開口引起的電磁泄露與開口的尺寸、輻射源的特性和輻射源到開口的距離有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計開口尺寸和輻射源到開口的距離能夠滿足屏蔽的要求。 -在孔面積相同時，長方形孔泄露最大而圓形孔泄露最小。因此要少開長方形孔洞。實踐證明，當(dāng)孔隙、縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數(shù)倍時，孔縫的電磁泄漏最大，因此一般要求孔隙、縫隙的最大線形尺寸小于/10/100. -為減少感應(yīng)渦流流動的電阻，所開空洞切口應(yīng)順著感應(yīng)渦流流動的方向并使渦流均勻分布。 -安裝高頻線圈屏蔽盒時，應(yīng)使接縫不切

17、斷渦流。 -孔縫泄露的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線形尺寸、電磁波頻率及孔的深度。對于必須存在的大孔，應(yīng)采用安裝金屬網(wǎng)等辦法，減少泄露。,2.4抑制電磁干擾的工程措施 a. 接縫的屏蔽 1)永久性接縫的屏蔽-屏蔽體上的永久縫隙應(yīng)用焊接工藝密封,如熔焊和釬焊.具體實施時用搭焊和對焊.用鍍鋅鐵皮制成的屏蔽體常用翻邊咬合式接縫,它可以有效地代替焊接形式的焊縫.若用電焊,焊點間距不宜超過5CM.,2)非永久性接縫的屏蔽-在接縫處加入由導(dǎo)電橡膠、金屬簧片等材料制成的既具有一定彈性，又具有良好導(dǎo)電特性，同時還可填充縫隙的導(dǎo)電襯墊，保持了兩個界面間的電連續(xù)性，從而大大提高了機(jī)箱的屏蔽效果。,b.

18、導(dǎo)電襯墊 導(dǎo)電襯墊是專門用于抑制機(jī)箱縫隙電磁泄露的專用屏蔽材料,也是目前最廣泛的一類屏蔽材料, 導(dǎo)電襯墊可分為導(dǎo)電橡膠、金屬編織網(wǎng)套、螺旋管襯墊、梳形簧片襯墊、定向金屬導(dǎo)電橡膠和具有金屬鍍層的聚氨脂泡沫襯墊六種類型。 導(dǎo)電襯墊應(yīng)具備以下的基本要求: -導(dǎo)電襯墊應(yīng)具有足夠的彈性和厚度 -導(dǎo)電襯墊的導(dǎo)電材料應(yīng)有高的電導(dǎo)率. -導(dǎo)電襯墊的導(dǎo)電材料應(yīng)具有耐腐蝕性,并與屏蔽體兩配合面材料的電化學(xué)性能相容,防止導(dǎo)電襯墊與金屬配接面發(fā)生電化學(xué)腐蝕. -導(dǎo)電襯墊中的彈性材料在屏蔽體工作溫度下的壓縮變形和壽命要符合要求.,c. 導(dǎo)電膠帶 1)電磁屏蔽膠帶 -屏蔽膠帶是由帶有銅箔或鋁箔等高導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電布, 附

19、上導(dǎo)電膠構(gòu)成的不干膠帶，主要用于縫隙的屏蔽和電纜屏蔽層的端接，膠帶可以直接粘貼在有EMI泄漏的縫隙處，使用方便。使用時粘貼好膠帶后，要用力碾壓多次，這樣才能使金屬箔與另一部分金屬實現(xiàn)良好電接觸,保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,達(dá)到最佳屏蔽效果.,2)導(dǎo)電法蘭保護(hù)膠帶 -屏蔽體表面需要噴漆時,在接合面處貼上此膠帶,噴完漆后將膠帶上的覆蓋物揭下,暴露出導(dǎo)電性、耐腐蝕性好的表面，便于電磁屏蔽襯墊與金屬基體導(dǎo)電連通，使用這種材料可以避免對屏蔽體的整體進(jìn)行導(dǎo)電處理，從而降低成本。 3）電纜屏蔽纏帶 -電纜屏蔽纏帶可直接纏繞在電纜表層，頻率為100kHz-1GHz時，屏蔽效能可達(dá)40-60dB.屏蔽纏帶的端頭可以

20、用焊接、導(dǎo)電膠粘接、金屬卡與連接器壓接等三種接地方式。,d.通風(fēng)窗口的電磁屏蔽 通風(fēng)冷卻孔泄漏的抑制可以采用以下三種方法 1）將金屬絲網(wǎng)覆蓋在大面積的通風(fēng)口上，能顯著地防止電磁泄漏。金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，通風(fēng)量大，適用于屏蔽要求不太高的場合。如果頻率大于200KHz時，其屏蔽效能將明顯下降。 2）環(huán)境條件較好時采用穿孔鋁箔金屬板進(jìn)行屏蔽。在滿足通風(fēng)量要求的條件下，屏蔽體應(yīng)以多個小圓孔代替大孔。由于不存在金屬絲網(wǎng)網(wǎng)柵交點接觸不穩(wěn)定的缺陷，其屏蔽效能比較穩(wěn)定。這種產(chǎn)品的價格低，但強(qiáng)度差，易損壞。若環(huán)境惡劣，則可使用銅或鋼制蜂窩板覆蓋通風(fēng)窗口，可以提高屏蔽效能。這種產(chǎn)品的各方面性能優(yōu)越，但價格較高。