來(lái)源：All about circuits

作者：Ignacio deMendizábal

編譯：付斌

 

身為電子工程師，噪聲和輻射無(wú)處不在，作為電子設(shè)計(jì)師必須掌握EMI電磁屏蔽相關(guān)知識(shí)，而這些知識(shí)和解決方案將廣泛用于改善設(shè)備免于受到外部電磁干擾。

 

干擾輻射的來(lái)源

 

麥克斯韋方程顯示，每當(dāng)電流經(jīng)流導(dǎo)體時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的輻射特性被稱之為輻射發(fā)射。

 

這些輻射發(fā)射將會(huì)在電路或整個(gè)印刷電路板（PCB）中引發(fā)一些問(wèn)題。在理想電路之中，電路本身發(fā)射的信號(hào)只包括電流和電壓，而在現(xiàn)實(shí)世界中，噪音是繞不開的問(wèn)題。當(dāng)電路信號(hào)受到任何干擾時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

 

由于電磁信號(hào)的性質(zhì)，并不能避免噪聲的存在，但是可以大大降低其影響。

 

需要注意的是，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不會(huì)受到其他設(shè)備的影響，正如設(shè)備不會(huì)受到其他設(shè)備影響一樣，電磁敏感性是電路系統(tǒng)受到干擾仍然保持正常工作的能力。這種敏感性將取決于施加的噪聲水平，而不同的應(yīng)用諸如車載、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，擁有不同的程度磁化率。

 

每個(gè)電路、設(shè)備或系統(tǒng)都必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，盡可能減少輻射水平，來(lái)達(dá)到只對(duì)高水平的電磁場(chǎng)敏感。

 

EMC認(rèn)證

 

電磁兼容性（EMC）認(rèn)證是任何產(chǎn)品上市必須經(jīng)過(guò)的步驟，每個(gè)產(chǎn)品都必須通過(guò)EMC測(cè)試， 以確保安裝時(shí)不會(huì)影響任何其他設(shè)備（例如輻射測(cè)試），并且即使周圍存在其他系統(tǒng)（例如，敏感性測(cè)試）。

 

EMC測(cè)試在消聲室內(nèi)進(jìn)行，圖片來(lái)源于Hermon Laboratories提供

 

通常來(lái)說(shuō)，電子設(shè)備都會(huì)安裝在外殼內(nèi)，金屬外殼非常擅長(zhǎng)限制電磁屏蔽，但相對(duì)來(lái)說(shuō)并不完美。PCB和外殼之間的結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)孔或槽，并且電磁場(chǎng)可以穿過(guò)它們，簡(jiǎn)言之EMI屏蔽就是要覆蓋這些孔或槽。

 

此外，許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在一個(gè)普遍問(wèn)題：僅在設(shè)計(jì)周期的最新階段才去考慮EMC認(rèn)證的問(wèn)題，在此情況下，整體的設(shè)計(jì)就被凍結(jié)到了這個(gè)階段，EMC工程師并沒(méi)有空間去修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)解決電磁相關(guān)的問(wèn)題。因此，一整套的工具與生態(tài)，并無(wú)需再次修改PCB對(duì)于EMI屏蔽起著至關(guān)重要的作用。

 

小型化和高效能一直以來(lái)是電子產(chǎn)品發(fā)展的全球趨勢(shì)，PCB具有越來(lái)越短的上升時(shí)間和越來(lái)越快的數(shù)字電路。上升時(shí)間越短，帶寬越大，而在此同時(shí)波長(zhǎng)則會(huì)越小。當(dāng)電路中波長(zhǎng)與PCB的物理尺寸相當(dāng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一定問(wèn)題。如果這些波長(zhǎng)足夠小，可能會(huì)到達(dá)外部并與其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

 

可以使用EMI屏蔽（即采用有助于覆蓋這些小孔并改善機(jī)械外殼的法拉第籠效應(yīng)的磁性材料）封閉這些開口。

 

計(jì)算EMI屏蔽效果和趨膚深度

 

無(wú)數(shù)種的EMI屏蔽擁有不同的材料和形狀，但總的來(lái)說(shuō)最終的目標(biāo)都是限制電磁場(chǎng)。

 

屏蔽元件充當(dāng)阻擋電磁輻射的屏障，事實(shí)上，這種屏蔽方式的過(guò)程擁有巨大的衰減，這將取決于電磁波和屏蔽元件的材料。

 

當(dāng)波撞擊屏蔽材料時(shí)，會(huì)生成兩種新的波，包括反射波和透射波。因此，入射波的能量將分裂為這兩種波。所傳輸?shù)慕M件是關(guān)鍵的相關(guān)組件，波將穿過(guò)屏蔽材料而到達(dá)外面。屏蔽的有效性將決定其衰減該分量的能力。

 

趨膚深度是波在其幅度降低到1 / e之前可以傳播的距離，該參數(shù)取決于材料磁導(dǎo)率，頻率和電阻率的因素，可通過(guò)以下表達(dá)式近似表示：

 

注：σ 表示電導(dǎo)率，μ表示磁導(dǎo)率，F(xiàn)表示頻率

 

使用屏蔽材料的目的是在波通過(guò)后盡可能減小波的幅度。因此，選擇合適的材料類型及其厚度t是極其重要的，以確保系統(tǒng)的所有頻率都被衰減。

 

屏蔽材料在此任務(wù)中的表現(xiàn)如何，取決于屏蔽效果（S.E），如下所示：

 

注：第一項(xiàng)代表反射損耗，第二項(xiàng)代表吸收損耗。

 

EMI屏蔽的類型

 

EMI屏蔽類型將很大程度上取決于產(chǎn)品的類型、電磁要求和環(huán)境條件。最常見(jiàn)的EMI屏蔽如下：

- EMI墊片

- EMI屏蔽膠帶

- 金屬夾

- 屏蔽柜

 

EMI墊片

 

EMI墊片用于覆蓋兩個(gè)機(jī)械表面間不規(guī)則但又存在的微孔，這些墊片還可用來(lái)改善接地連接。它們具有粘性部分和許多輪廓，因此可以輕松地安裝在不同類型的機(jī)械接頭之中。

 

可以切割墊片以適應(yīng)任何系統(tǒng)，圖片來(lái)源于WürthElektronik提供

 

EMI屏蔽膠帶

 

想要確保所有微孔都被蓋住，但對(duì)于像EMI墊片之類的選件并沒(méi)有太多垂直空間時(shí)，EMC膠帶就是首選了。這些膠帶的頂部具有高導(dǎo)電性的材料（例如鎳或銅），另一側(cè)具有粘合劑。

 

EMC屏蔽膠帶有許多長(zhǎng)度和寬度選擇，圖片來(lái)源Holland Shielding Systems BV提供

 

  金屬夾

 

任何設(shè)備都需要短而寬且直連的接地線，如果這項(xiàng)連接做不好，將會(huì)形成不需要的單極子，這將會(huì)產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)。金屬夾改善了這種連接并加強(qiáng)了機(jī)械連接。

 

屏蔽柜

 

如CPU、存儲(chǔ)IC和射頻（RF）級(jí)之這類的干擾源來(lái)說(shuō)，選擇PCB層上利用屏蔽柜單獨(dú)屏蔽是極佳的選擇。

 

 

屏蔽柜可安裝在PCB上，圖片來(lái)源于Harwin Electronics提供

 

結(jié)論

 

所有電路均會(huì)發(fā)出電磁輻射，并且容易被其他電路輻射。獲得將您的產(chǎn)品推向市場(chǎng)所需的認(rèn)證可能是一個(gè)痛苦的測(cè)試過(guò)程。

 

各種形式和類型的EMI屏蔽都是解決EMI問(wèn)題的基礎(chǔ)。

 

【參考文獻(xiàn)】

1. ElectromagneticCompatibility Engineering. Henry W. Ott. John Wiley & Sons, Inc. 2009

2. EM Geosci.

3. Learn EMC 2020,Shielding Theory.