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原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!

發布時間:2018-07-19 責任編輯:wenwei

【導讀】筆者提出的一個重要概念:一個項目在計劃階段就要考慮屏蔽問題,這樣花費在屏蔽措施上的成本才會最低。若等到問題暴露出來再去查漏補缺,往往需要付出相當大的代價。屏蔽措施往往帶來費用和儀器重量的增加,若能以其他EMC方式加以解決,就盡量減少屏蔽。(言下之意屏蔽是最后一招)
 
對于PCB應注意以下兩點:
 
1、使導線及元器件盡量靠近一塊大的金屬板(這個金屬板不是指屏蔽體)
 
2、使電氣部件及線路盡量靠近地層(減少層間信號的電磁干擾、地層可以吸收部分干擾 )這樣,即使是需要加屏蔽,也可以降低對屏蔽效能(SE shiedling effectiveness)的需求。
 
屏蔽的概念
 
屏蔽相當于一個濾波器,放置于電磁波的傳播路徑上,對其中的一部分頻段形成高阻抗。阻抗比越大,屏蔽效能越好。
 
對于一般金屬,0.5mm的厚度就能對1MHz的電磁波產生較好的屏蔽效果,對100MHz能有非常好的屏蔽效果,問題在于薄層金屬屏蔽對1MHz以下或孔隙來說,屏蔽效果就不行了,本文重點介紹這方面。
 
大的間距、矩形屏蔽會更好
 
(1) 電路之間、屏蔽之間更大的間距能夠減少相互干擾;
 
(2) 矩形(或不規則)的屏蔽外形,能夠盡量避免頻率共振;正方形的外殼往往容易引起共振;
 
但總的來說,電路板一般位于屏蔽體內,其元器件、線路等都會改變預期的共振頻率點,所以不必太操心。
 
趨膚效應
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
趨膚深度
 
工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368(即1/e)的厚度為趨膚深度或穿透深度Δ:
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
式中:
 
μ-導線材料的磁導率;
 
γ=1/ρ-材料的電導率;
 
k-材料電導率(或電阻率)溫度系數;
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
上圖:不同頻率下三種金屬的趨膚效應深度(頻率越高,深度越淺,越趨膚);趨膚效應以傳導的角度看,是希望趨膚深度深的,那表示導線的利用率高;但是對于屏蔽,是希望趨膚深度淺的,這樣就能以較薄的金屬屏蔽更多的電磁頻段;50Hz的趨膚深度5~15mm,很難屏蔽……
 
用于屏蔽的金屬應有良好的導電及導磁性能,厚度根據干擾的最低頻率所產生的趨膚深度來定。一般1mm的低碳鋼板或者1μm的鍍鋅層就能滿足一般的應用。(這也是實際中常看到機箱壁上鍍鋅的原因)
 
孔隙
 
如果屏蔽體的整個殼體是無縫無孔的,那么對于30MHz的電磁波來說,要達到100dB的衰減效果不是難事。問題就在于他們不是無縫無孔的:
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
在一個完美的屏蔽殼體上開一個洞,相當于構成一個半波共振縫隙天線,屏蔽效能SE與孔的最大尺寸d、電磁波波長λ關系如下:
 
那么對于之前提到的30MHz,波長10m,假設有一個USB口(孔徑對角線尺寸10mm),換算下來SE為54dB,d越大,SE越小。
 
我們常用到的電磁波頻段:
 
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我們在常規應用中制造出的干擾及諧波頻段:
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
孔隙、平率與屏蔽效能的大致關系:
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
要達到40dB的SE,通常需要用導體墊圈、彈簧夾指來進行密封,注意內部元件與屏蔽罩的間距、數據總線與開孔和縫隙之間的距離。
 
還要注意,當屏蔽體中有電流,且電流的前進方向上有孔縫擋路,迫使電流繞行時,將引起孔縫類似天線而發射磁場,通過孔縫變化的電壓產生磁場。
 
低頻磁場的屏蔽
 
采用高磁導率的合金材料(如非晶合金、坡莫合金),按一定規格制成屏蔽罩,可大幅度減小磁場影響。
 
截至波導
 
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墊圈
 
采用良導體,用于填縫,能承受一定的擠壓變形,抗腐蝕、經久耐用.
 
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可視組件的屏蔽
 
原來金屬外殼屏蔽EMI大有講究!
 
通風孔的屏蔽
 
將通風孔做成兩種形式:
 
(1)金屬網格(類似蜂窩鋁板)
 
(2) (截至)波導
 
用噴漆或電鍍的塑料
 
因為開模塑料美觀輕便,所以時常使用,對這種情況,一般在塑料杯面噴涂導電材料,因為導電層厚度不可能太厚(微米級),實際效果不怎么樣。
 
對于二類電器(class II),還可能增加靜電放電(ESD)的可能性。
 
二類電器:這類電器采用雙重絕緣或加強絕緣,沒有接地要求。
 
非金屬屏蔽
 
如碳纖維或導電聚合物(導電塑料),但是無論如何其SE都不及金屬的好。
 
屏蔽罩的安裝
 
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板級屏蔽
 
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