ESD/EMI/EMC電路設(shè)計(jì)技巧 ——電磁干擾的屏蔽方法

　　電磁兼容是指“一種器件、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時(shí)不會對此環(huán)境中任何其他設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾。”對于無線收發(fā)設(shè)備來說，采用非連續(xù)頻譜可部分實(shí)現(xiàn) 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(shè)備之間、打印機(jī)和臺式電腦之間以及蜂窩電話和醫(yī)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)。

　　1、EMC 問題來源

　　所有電器和電子設(shè)備工作時(shí)都會有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時(shí)變化速率還相當(dāng)快，這樣會導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個(gè)頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會將這種能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中。

　　EMI 有兩條途徑離開或進(jìn)入一個(gè)電路：輻射和傳導(dǎo)。信號輻射是通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去;而信號傳導(dǎo)則通過耦合到電源、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(chǎn)生干擾。

　　很多 EMI 抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)時(shí)候下面這些簡單原則可以有助于實(shí)現(xiàn) EMI 屏蔽：從源頭處降低干擾;通過屏蔽、過濾或接地將干擾產(chǎn)生電路隔離以及增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力等。EMI 抑制性、隔離性和低敏感性應(yīng)該作為所有電路設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)，這些性能在設(shè)計(jì)階段的早期就應(yīng)完成。

　　對設(shè)計(jì)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(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)。無論是金屬還是涂有導(dǎo)電層的塑料，一旦設(shè)計(jì)人員確定作為外殼材料之后，就可著手開始選擇襯墊。

　　2、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(jì)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(nèi)存在多個(gè)反射的情況) 一個(gè)簡單的屏蔽罩會使所產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度降至最初的十分之一，即 SE 等于 20dB;而有些場合可能會要求將場強(qiáng)降至為最初的十萬分之一，即 SE 要等于 100dB。

　　吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時(shí)能量損耗的數(shù)量，吸收損耗計(jì)算式為 AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

　　其中 f：頻率(MHz) μ：銅的導(dǎo)磁率 σ：銅的導(dǎo)電率 t：屏蔽罩厚度 反射損耗(近場)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。對于桿狀或直線形發(fā)射天線而言，離波源越近波阻越高，然后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(gè)小型線圈，則此時(shí)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(dāng)距離超過波長的六分之一時(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(shè)備。

　　近場反射損耗可按下式計(jì)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(xiàng)是校正因子 B，其計(jì)算公式為 B=20lg[-exp(-2t/σ)]

　　此式僅適用于近磁場環(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(nèi)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(gè)負(fù)數(shù)，表示屏蔽效率的下降情況。

　　3、EMI 抑制策略

　　只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才能在極低頻率下達(dá)到較高屏蔽效率。這些材料的導(dǎo)磁率會隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場較強(qiáng)也會使導(dǎo)磁率降低，還有就是采用機(jī)械方法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會降低導(dǎo)磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)雜，通常要向 EMI 屏蔽材料供應(yīng)商以及有關(guān)咨詢機(jī)構(gòu)尋求解決方案。

　　在高頻電場下，采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達(dá)到良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續(xù)，并將敏感部分完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙(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。

　　設(shè)計(jì)屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產(chǎn)生孔隙，而且設(shè)備運(yùn)行過程中還會需要用到這些孔隙。制造、面板連線、通風(fēng)口、外部監(jiān)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(shè)計(jì)中對與電路工作頻率波長有關(guān)的溝槽長度作仔細(xì)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(dāng)縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時(shí)，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(fā)射頻率越高衰減越嚴(yán)重，因?yàn)樗牟ㄩL越短。當(dāng)涉及到最高頻率時(shí)，必須要考慮可能會出現(xiàn)的任何諧波，不過實(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(nèi) RF 輻射的頻率及強(qiáng)度，就可計(jì)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(chǎn)生衰減， 因此當(dāng)存在小于 150mm 的縫隙時(shí)，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(yīng)小于 15 mm(150mm 的 1/10)，需要衰減 26dB 時(shí)，縫隙應(yīng)小于 7.5 mm(15mm 的 1/2 以上)，需要衰減 32dB 時(shí)，縫隙應(yīng)小于 3.75 mm(7.5mm的 1/2 以上)。

　　可采用合適的導(dǎo)電襯墊使縫隙大小限定在規(guī)定尺寸內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)這種衰減效果。定在規(guī)定尺寸內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)這種衰減效果。

　　4、屏蔽設(shè)計(jì)難點(diǎn)

　　由于接縫會導(dǎo)致屏蔽罩導(dǎo)通率下降，因此屏蔽效率也會降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比，例如長度直徑比為 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(dǎo)特性;另一種實(shí)現(xiàn)較高長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(gòu)成多孔屏蔽罩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

　　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(dāng)各孔間距較近時(shí)設(shè)計(jì)上必須要仔細(xì)考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計(jì)算公式

　　SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n

　　其中 fc/o：截止頻率 n：孔洞數(shù)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(jì)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(dǎo)電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進(jìn)行固定，因?yàn)榫o固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長久保持。

　　導(dǎo)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(fā)出去。EMI 襯墊是一種導(dǎo)電介質(zhì)，用于填補(bǔ)屏蔽罩內(nèi)的空隙并提供連續(xù)低阻抗接點(diǎn)。通常 EMI 襯墊可在兩個(gè)導(dǎo)體之間提供一種靈活的連接，使一個(gè)導(dǎo)體上的電流傳至另一導(dǎo)體。

　　封孔 EMI 襯墊的選用可參照以下性能參數(shù)： ·特定頻率范圍的屏蔽效率 ·安裝方法和密封強(qiáng)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(shù)商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設(shè)備滿足 EMC 標(biāo)準(zhǔn)， 關(guān)鍵是在屏蔽罩內(nèi)正確地對墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　墊片系統(tǒng)：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(dǎo)電率。襯墊和墊片之間導(dǎo)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(xiàn)細(xì)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(dǎo)通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并經(jīng)過必要處理以具有良好導(dǎo)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(xù)良好的粘合性也非常重要。導(dǎo)電襯墊的可壓縮特性可以彌補(bǔ)墊片的任何不規(guī)則情況。

　　所有襯墊都有一個(gè)有效工作最小接觸電阻，設(shè)計(jì)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(dāng)然這將增加密封強(qiáng)度，會使屏蔽罩變得更為彎曲。大多數(shù)襯墊在壓縮到原來厚度的 30%至 70%時(shí)效果比較好。因此在建議的最小接觸面范圍內(nèi)，兩個(gè)相向凹點(diǎn)之間的壓力應(yīng)足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導(dǎo)電性。

　　另一方面，對襯墊的壓力不應(yīng)大到使襯墊處于非正常壓縮狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)會導(dǎo)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)彎曲。

　　壓縮性也是轉(zhuǎn)動接合處的一個(gè)重要特性，如在門或插板等位置。若襯墊易于壓縮，那么屏蔽性能會隨著門的每次轉(zhuǎn)動而下降，此時(shí)襯墊需要更高的壓縮力才能達(dá)到與新襯墊相同的屏蔽性能。在大多數(shù)情況下這不太可能做得到，因此需要一個(gè)長期 EMI 解決方案。

　　如果屏蔽罩或墊片由涂有導(dǎo)電層的塑料制成，則添加一個(gè) EMI 襯墊不會產(chǎn)生太多問題，但是設(shè)計(jì)人員必須考慮很多襯墊在導(dǎo)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(shí)間增長這種磨損會降低襯墊接合處的屏蔽效率，并給后面的制造商帶來麻煩。

　　如果屏蔽罩或墊片結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jī)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(jié)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。

　　5、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(帶彈性內(nèi)芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線、導(dǎo)電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數(shù)屏蔽材料制造商都可提供各種襯墊能達(dá)到的 SE 估計(jì)值，但要記住 SE 是個(gè)相對數(shù)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(yīng)用，包括有磨損、滑動以及帶鉸鏈的場合。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。這類襯墊可做成多種形狀，厚度大于0.5mm，也可減少厚度以滿足 UL 燃燒及環(huán)境密封標(biāo)準(zhǔn)。還有另一種新型襯墊即環(huán)境/EMI 混合襯墊，有了它就可以無需再使用單獨(dú)的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和復(fù)雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線穩(wěn)定，可防潮、防風(fēng)、防清洗溶劑，內(nèi)部涂層則進(jìn)行金屬化處理并具有較高導(dǎo)電性。最近的另外一項(xiàng)革新是在 EMI襯墊上裝了一個(gè)塑料夾，同傳統(tǒng)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，因此更具市場吸引力。

　　6、結(jié)論

　　設(shè)備一般都需要進(jìn)行屏蔽，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可通過一些基本原則確定，但是理論與現(xiàn)實(shí)之間還是有差別。例如在計(jì)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(qiáng)度，如同在一個(gè)設(shè)備中使用了多個(gè)處理器時(shí)的情形。表面處理及墊片設(shè)計(jì)是保持長期屏蔽以實(shí)現(xiàn) EMC 性能的關(guān)鍵因素。