電磁干擾的屏蔽方法

EMC問(wèn)題常常是制約中國電子產(chǎn)品出口的一個(gè)原因，本文主要論述EMI的來(lái)源及一些非常具體的抑制方法。
電磁兼容性(EMC)是指“一種器件、設備或系統的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時(shí)不會(huì )對此環(huán)境中任何其他設備產(chǎn)生強烈電磁干擾(IEEE C63.12-1987)�！睂τ跓o(wú)線(xiàn)收發(fā)設備來(lái)說(shuō)，采用非連續頻譜可部分實(shí)現EMC性能，但是很多有關(guān)的例子也表明EMC并不總是能夠做到。例如在筆記本電腦和測試設備之間、打印機和臺式電腦之間以及蜂窩電話(huà)和醫療儀器之間等都具有高頻干擾，我們把這種干擾稱(chēng)為電磁干擾(EMI)。
EMC問(wèn)題來(lái)源
所有電器和電子設備工作時(shí)都會(huì )有間歇或連續性電壓電流變化，有時(shí)變化速率還相當快，這樣會(huì )導致在不同頻率內或一個(gè)頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應的電路則會(huì )將這種能量發(fā)射到周?chē)�的環(huán)境中。
EMI有兩條途徑離開(kāi)或進(jìn)入一個(gè)電路：輻射和傳導。信號輻射是通過(guò)外殼的縫、槽、開(kāi)孔或其他缺口泄漏出去；而信號傳導則通過(guò)耦合到電源、信號和控制線(xiàn)上離開(kāi)外殼，在開(kāi)放的空間中自由輻射，從而產(chǎn)生干擾。
很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來(lái)實(shí)現，大多數時(shí)候下面這些簡(jiǎn)單原則可以有助于實(shí)現EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；通過(guò)屏蔽、過(guò)濾或接地將干擾產(chǎn)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，采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涂層及鍍層(如導電漆及鋅線(xiàn)噴涂等)。無(wú)論是金屬還是涂有導電層的塑料，一旦設計人員確定作為外殼材料之后，就可著(zhù)手開(kāi)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(jìn)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)(適用于薄屏蔽罩內存在多個(gè)反射的情況)
一個(gè)簡(jiǎn)單的屏蔽罩會(huì )使所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場(chǎng)合可能會(huì )要求將場(chǎng)強降至為最初的十萬(wàn)分之一，即SE要等于100dB。
吸收損耗是指電磁波穿過(guò)屏蔽罩時(shí)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(chǎng))的大小取決于電磁波產(chǎn)生源的性質(zhì)以及與波源的距離。對于桿狀或直線(xiàn)形發(fā)射天線(xiàn)而言，離波源越近波阻越高，然后隨著(zhù)與波源距離的增加而下降，但平面波阻則無(wú)變化(恒為377)。
相反，如果波源是一個(gè)小型線(xiàn)圈，則此時(shí)將以磁場(chǎng)為主，離波源越近波阻越低。波阻隨著(zhù)與波源距離的增加而增加，但當距離超過(guò)波長(cháng)的六分之一時(shí)，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，因此它不僅取決于波的類(lèi)型，而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離。這種情況適用于小型帶屏蔽的設備。
近場(chǎng)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算式最后一項是校正因子B，其計算公式為
B=20lg[-exp(-2t/σ)]
此式僅適用于近磁場(chǎng)環(huán)境并且吸收損耗小于10dB的情況。由于屏蔽物吸收效率不高，其內部的再反射會(huì )使穿過(guò)屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個(gè)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(lèi)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(huì )隨著(zhù)頻率增加而降低，另外如果初始磁場(chǎng)較強也會(huì )使導磁率降低，還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規定形狀同樣會(huì )降低導磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導磁性材料非常復雜，通常要向EMI屏蔽材料供應商以及有關(guān)咨詢(xún)機構尋求解決方案。
在高頻電場(chǎng)下，采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，并將敏感部分完全遮蓋住，沒(méi)有缺口或縫隙(形成一個(gè)法拉第籠)。然而在實(shí)際中要制造一個(gè)無(wú)接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個(gè)部分進(jìn)行制作，因此就會(huì )有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的連線(xiàn)。
設計屏蔽罩的困難在于制造過(guò)程中不可避免會(huì )產(chǎn)生孔隙，而且設備運行過(guò)程中還會(huì )需要用到這些孔隙。制造、面板連線(xiàn)、通風(fēng)口、外部監測窗口以及面板安裝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(cháng)有關(guān)的溝槽長(cháng)度作仔細考慮是很有好處的。
任一頻率電磁波的波長(cháng)為: 波長(cháng)(λ)=光速(C)/頻率(Hz)
當縫隙長(cháng)度為波長(cháng)(截止頻率)的一半時(shí),RF波開(kāi)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(fā)射頻率越高衰減越嚴重，因為它的波長(cháng)越短。當涉及到最高頻率時(shí)，必須要考慮可能會(huì )出現的任何諧波，不過(guò)實(shí)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(cháng)為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會(huì )開(kāi)始產(chǎn)生衰減，因此當存在小于150mm的縫隙時(shí)，1GHz輻射就會(huì )被衰減。所以對1GHz頻率來(lái)講，若需要衰減20dB，則縫隙應小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰減26dB時(shí)，縫隙應小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰減32dB時(shí)，縫隙應小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合適的導電襯墊使縫隙大小限定在規定尺寸內，從而實(shí)現這種衰減效果。
屏蔽設計難點(diǎn)
由于接縫會(huì )導致屏蔽罩導通率下降，因此屏蔽效率也會(huì )降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長(cháng)度直徑比，例如長(cháng)度直徑比為3時(shí)可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時(shí)，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性；另一種實(shí)現較高長(cháng)度直徑比的方法是附加一個(gè)小型金屬屏蔽物，如一個(gè)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(fēng)孔等等，當各孔間距較近時(shí)設計上必須要仔細考慮。下面是此類(lèi)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
注意此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況，也可用于計算金屬編織網(wǎng)的相關(guān)屏蔽效率。
接縫和接點(diǎn)：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進(jìn)行永久性固定的常用方式，接合部位金屬表面必須清理干凈，以使接合處能完全用導電的金屬填滿(mǎn)。不建議用螺釘或鉚釘進(jìn)行固定，因為緊固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長(cháng)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(huì )散發(fā)出去。EMI襯墊是一種導電介質(zhì)，用于填補屏蔽罩內的空隙并提供連續低阻抗接點(diǎn)。通常EMI襯墊可在兩個(gè)導體之間提供一種靈活的連接，使一個(gè)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： •特定頻率范圍的屏蔽效率 •安裝方法和密封強度 •與外罩電流兼容性以及對外部環(huán)境的抗腐蝕能力。 •工作溫度范圍 •成本
大多數商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設備滿(mǎn)足EMC標準，關(guān)鍵是在屏蔽罩內正確地對墊片進(jìn)行設計。
墊片系統：一個(gè)需要考慮的重要因素是壓縮，壓縮能在襯墊和墊片之間產(chǎn)生較高導電率。襯墊和墊片之間導電性太差會(huì )降低屏蔽效率，另外接合處如果少了一塊則會(huì )出現細縫而形成槽狀天線(xiàn)，其輻射波長(cháng)比縫隙長(cháng)度小約4倍。
確保導通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并經(jīng)過(guò)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��；另外屏蔽襯墊材料對這種墊片具有持續良好的粘合性也非常重要。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(gè)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(gè)襯墊的接觸電阻，當然這將增加密封強度，會(huì )使屏蔽罩變得更為彎曲。大多數襯墊在壓縮到原來(lái)厚度的30%至70%時(shí)效果比較好。因此在建議的最小接觸面范圍內，兩個(gè)相向凹點(diǎn)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于非正常壓縮狀態(tài)，因為此時(shí)會(huì )導致襯墊接觸失效，并可能產(chǎn)生電磁泄漏。與墊片分離的要求對于將襯墊壓縮控制在制造商建議范圍非常重要，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(chǎn)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(dòng)接合處的一個(gè)重要特性，如在門(mén)或插板等位置。若襯墊易于壓縮，那么屏蔽性能會(huì )隨著(zhù)門(mén)的每次轉動(dòng)而下降，此時(shí)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(gè)長(cháng)期EMI解決方案。
如果屏蔽罩或墊片由涂有導電層的塑料制成，則添加一個(gè)EMI襯墊不會(huì )產(chǎn)生太多問(wèn)題，但是設計人員必須考慮很多襯墊在導電表面上都會(huì )有磨損，通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損。隨著(zhù)時(shí)間增長(cháng)這種磨損會(huì )降低襯墊接合處的屏蔽效率，并給后面的制造商帶來(lái)麻煩。
如果屏蔽罩或墊片結構是金屬的，那么在噴涂拋光材料之前可加一個(gè)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(jìn)行緊固，例如帶有塑料鉚釘或壓敏粘結劑(PSA)的“C型”襯墊。襯墊安裝在墊片的一邊，以完成對EMI的屏蔽。
襯墊及附件
目前可用的屏蔽和襯墊產(chǎn)品非常多，包括鈹-銅接頭、金屬網(wǎng)線(xiàn)(帶彈性?xún)刃净虿粠?、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線(xiàn)、導電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數屏蔽材料制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(gè)相對數值，還取決于孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等。襯墊有多種形狀，可用于各種特定應用，包括有磨損、滑動(dòng)以及帶鉸鏈的場(chǎng)合。目前許多襯墊帶有粘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(lèi)襯墊中，涂層泡沫襯墊是最新也是市面上用途最廣的產(chǎn)品之一。這類(lèi)襯墊可做成多種形狀，厚度大于0.5mm，也可減少厚度以滿(mǎn)足UL燃燒及環(huán)境密封標準。還有另一種新型襯墊即環(huán)境/EMI混合襯墊，有了它就可以無(wú)需再使用單獨的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和復雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線(xiàn)穩定，可防潮、防風(fēng)、防清洗溶劑，內部涂層則進(jìn)行金屬化處理并具有較高導電性。最近的另外一項革新是在EMI襯墊上裝了一個(gè)塑料夾，同傳統壓制型金屬襯墊相比，它的重量較輕，裝配時(shí)間短，而且成本更低，因此更具市場(chǎng)吸引力。
結論
設備一般都需要進(jìn)行屏蔽，這是因為結構本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可通過(guò)一些基本原則確定，但是理論與現實(shí)之間還是有差別。例如在計算某個(gè)頻率下襯墊的大小和間距時(shí)還必須考慮信號的強度，如同在一個(gè)設備中使用了多個(gè)處理器時(shí)的情形。表面處理及墊片設計是保持長(cháng)期屏蔽以實(shí)現EMC性能的關(guān)鍵因素。