第三層 結(jié)構(gòu) / 屏蔽設(shè)計(jì)

產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)做到標(biāo)本兼治。產(chǎn)品與外界的連接界面，如圖4所示。包括機(jī)殼端口，電源線端口，地線端口，信號(hào)線端口和控制線端口等。需要做好結(jié)構(gòu)/屏蔽設(shè)計(jì)，濾波設(shè)計(jì)和瞬態(tài)騷擾抑制設(shè)計(jì)等。

圖4產(chǎn)品與外界的連接界面

什么是結(jié)構(gòu)？結(jié)構(gòu)即材料、形狀、連接、布局的總和。

對(duì)單一零件來說，結(jié)構(gòu)即零件的材料和形狀。材料包含零件的內(nèi)在結(jié)構(gòu)；形狀體現(xiàn)零件外在特征。

對(duì)兩個(gè)和兩個(gè)以上零件來說，還包括他們間的連接方式，“連接”即零件間的裝配方法。

對(duì)整機(jī)來說，還要考慮零部件的布局。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過設(shè)想和計(jì)算，用工程圖紙或參數(shù)化電子文檔表達(dá)出來，提交制造，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)。包括整機(jī)造型、布局、零部件連接、材料和標(biāo)準(zhǔn)件及通用件選擇等。

電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與純機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同之處在于還要考慮結(jié)構(gòu)的電磁兼容性。

屏蔽技術(shù)用來抑制10kHz以上電磁騷擾沿空間的傳播，即切斷輻射騷擾的耦合途徑。

一．屏蔽效能的概念

用于電磁兼容目的的屏蔽體，通常能將電磁騷擾的強(qiáng)度衰減到原來的百分之一至百萬分之一以上。為了方便起見，屏蔽體的性能以屏蔽效能SE或SH（dB）表示。定義為：SE=20lg（E1/E2）（dB）

SH=20lg（H1/H2）（dB）

式中，E1、H1分別為未屏蔽時(shí)測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度， E2、H2分別為屏蔽后測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

屏蔽體的總體屏蔽效能是由屏蔽體中最薄弱的環(huán)節(jié)決定的。要使屏蔽體的屏蔽效能達(dá)到某一個(gè)值，屏蔽體上所有部位都要達(dá)到這個(gè)值，即各部位屏蔽效能的匹配是十分重要的。

屏蔽體中最薄弱的環(huán)節(jié)是各種縫隙和孔洞。

實(shí)現(xiàn)屏蔽，首先要做好“電磁兼容分層與綜合設(shè)計(jì)法”的第一和第二層，將電磁發(fā)射降至最低，將抗擾能力提至最高。然后利用殼體切斷EMI輻射。

但是，用這個(gè)定義只能測(cè)試屏蔽體的屏蔽效能，而無法確定應(yīng)該使用什么材料制造屏蔽體。要確定應(yīng)該使用什么材料制造屏蔽體，需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么參數(shù)有關(guān)。

1 實(shí)心材料屏蔽效能的計(jì)算

實(shí)心屏蔽把屏蔽體看成一個(gè)結(jié)構(gòu)上完整、電氣上連續(xù)均勻的無限大平板或全封閉殼體，上面不存在任何孔洞、縫隙等電氣不連續(xù)點(diǎn)。實(shí)心屏蔽理論反映了屏蔽材料在“實(shí)心”條件下所能達(dá)到的“理想屏蔽效能”，僅對(duì)屏蔽材料的研發(fā)和選用起指導(dǎo)作用。實(shí)心材料屏蔽效能的計(jì)算如圖5所示。

電磁波入射到無限大的平板型屏蔽體時(shí)，一部分能量被反射，稱反射損耗，記為R1；透射波在金屬板內(nèi)傳播時(shí)被衰減，稱吸收損耗，記為A.電磁波到達(dá)屏蔽體另一側(cè)時(shí)，又被反射記為R2，僅有小部分能量透射進(jìn)入被屏蔽空間。被反射的能量又被衰減和反射，循環(huán)往復(fù)，直至能量全部被衰減和透射。這種多次反射的現(xiàn)象，稱多次反射修正系數(shù)，記為B，量值小于1.

采用銀、銅、鋁、鎳等良導(dǎo)體制作的接地屏蔽體，可對(duì)電場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽;當(dāng)厚度小、頻率低時(shí)，鋼的屏蔽效能比銅低；當(dāng)厚度大、頻率高時(shí)，鋼的屏蔽效能比銅高；當(dāng)厚度在0.67mm以上，鋼的屏蔽效能比銅高。對(duì)于近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽，則以銅為宜。

對(duì)于f《100kHz的低頻磁場(chǎng)，則用高導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽，如工業(yè)純鐵，鐵硅合金（硅鋼，電工鋼等），鐵鎳軟磁合金，坡莫合金（79℅鎳，21℅鐵），非晶態(tài)軟磁合金材料（具有高強(qiáng)度，高硬度，高延展性，耐腐蝕性），μ金屬，鐵氧體材料等。

圖5 實(shí)心材料屏蔽效能的計(jì)算

2. 屏蔽方案的級(jí)別：級(jí)別越低，越容易實(shí)現(xiàn)高屏蔽效能。

單板屏蔽及單板局部屏蔽：約20dB/1GHz

模塊屏蔽：將輻射騷擾大或抗騷擾能力差的模塊，單獨(dú)安裝在屏蔽盒中。不但容易實(shí)現(xiàn)，成本低，而且可以減弱模塊之間的相互騷擾，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部模塊之間的電磁兼容。約20dB/1GHz

插箱、子架屏蔽：約20dB/1GHz

機(jī)柜屏蔽：約15dB/1GHz

圖6為拼裝機(jī)柜的屏蔽效能，30-230MHz：20dB；230-1000MHz：10dB

圖6 拼裝機(jī)柜的屏蔽效能

二．實(shí)際屏蔽體的問題

實(shí)際屏蔽體上有許多電磁泄漏源，例如：不同部分結(jié)合處的縫隙、通風(fēng)口、顯示窗、按鍵、指示燈、電纜線、電源線等，如圖7所示。

圖7 實(shí)際屏蔽體上的電磁泄漏源

1 縫隙屏蔽：

當(dāng)縫隙的長度接近波長的一半時(shí)，電磁波就會(huì)泄漏出去。這種類型的電磁泄漏源就是狹縫天線?？p隙尺寸接近半波長的整數(shù)倍時(shí)，電磁泄漏最大。所以，高頻時(shí)特別應(yīng)做好孔縫屏蔽，要求縫長或孔徑小于l/100。整個(gè)接合處必須維持電氣連續(xù)性，以避免狹縫天線的形成。最少要在每l/6 之處有配接表面間的電接觸－緊固點(diǎn)直接連接（包括螺釘?鉚釘點(diǎn)焊?鎖扣等）。永久性接縫，采用焊接工藝。非永久性配合面形成的接縫采用導(dǎo)電襯墊。均可達(dá)20dB/1GHz。

屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，是影響屏蔽效能最主要的因素。

2 通風(fēng)孔的處理

目的是處理屏蔽和散熱之間的矛盾。

波導(dǎo)是管狀金屬結(jié)構(gòu)，呈高通濾波器特性， 頻率高的電磁波能通過波導(dǎo)管，頻率低的電磁波則損耗很大。工作在截止區(qū)的波導(dǎo)管稱為截止波導(dǎo)管，可使騷擾頻率落在截止區(qū)內(nèi)而被抑制。這種裝置稱為截止波導(dǎo)通風(fēng)窗，如圖8所示，用于對(duì)屏蔽效能要求高的機(jī)柜。

圖8 截止波導(dǎo)通風(fēng)窗

截止波導(dǎo)通風(fēng)窗可抑制低于10GHz的騷擾，屏效達(dá)50-80dB/1GHz.但成本高，鋁制波導(dǎo)粘貼而成，須經(jīng)導(dǎo)電氧化，鍍錫，鍍鎳等導(dǎo)電處理，價(jià)格為1000元/m2以上。鋼制波導(dǎo)用釬焊方式制成，價(jià)格昂貴，不推薦使用。

屏蔽效能要求不高的機(jī)柜，可采用金屬孔板，如圖9所示。只適用于騷擾頻率低于50MHz時(shí)，屏效為30-50dB/1GHz。材料為鋼板或鋁板。

圖9 金屬孔板

3 顯示器：采用金屬鍍膜導(dǎo)電玻璃

金屬鍍膜玻璃是采用真空濺射等工藝在普通或鋼化玻璃表面形成致密導(dǎo)電膜而制成的，具有屏蔽效能高、透光率高、無光學(xué)畸變、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 電纜或?qū)Ь€穿越屏蔽體

濾波器連接器用于多根導(dǎo)線或電纜穿越屏蔽體。穿心電容、饋通濾波器用于單根導(dǎo)線或電纜穿越屏蔽體。

5 接續(xù)設(shè)計(jì)

屏蔽層的正確接法應(yīng)采用壓接端子并360度搭接，構(gòu)成啞鈴形結(jié)構(gòu)，成為屏蔽機(jī)殼的延伸。

第四層 濾波設(shè)計(jì)

傳導(dǎo)騷擾可以通過電源線、信號(hào)線、互連線等導(dǎo)線，以及屏蔽體、接地導(dǎo)體等導(dǎo)體進(jìn)行傳播。解決傳導(dǎo)耦合的辦法是在騷擾進(jìn)入敏感電路之前用濾波方法從導(dǎo)線或?qū)w上除去騷擾。

電磁騷擾濾波器，即EMI濾波器，是抑制傳導(dǎo)騷擾最有效的手段。它包括信號(hào)線濾波器和電源線濾波器。信號(hào)線濾波器允許有用信號(hào)無衰減通過，同時(shí)大大衰減雜波騷擾信號(hào)。電源線濾波器又稱電網(wǎng)濾波器，它以較小的衰減把直流、50Hz、400Hz電源功率傳輸?shù)皆O(shè)備上，卻大大衰減經(jīng)電源傳入的EMI信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受其害。同時(shí)，它又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止它進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其它設(shè)備。

EMI濾波器，通常是集總參數(shù)的、無源的低通濾波器。但EMI濾波器不同于一般低通濾波器，EMI濾波器更關(guān)心插入損耗、能量衰減、截止頻率等特性。

一 影響濾波器性能的關(guān)鍵特性

1.影響濾波器性能的關(guān)鍵特性之一：阻抗特性

無源濾波器由抑制元件組成，其抑制特性不僅取決于元件參數(shù)，而且還取決于端接阻抗。如圖10所示。

圖10 源/負(fù)載阻抗與濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇

例如，為防止電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，濾波器的輸出阻抗必須小于開關(guān)電源開環(huán)輸入阻抗。濾波器的輸入阻抗應(yīng)與電網(wǎng)輸出阻抗相差較大。其目的是為了盡可能使之失配，以獲得盡可能大的插入損耗。

2．影響濾波器性能的關(guān)鍵特性之二：頻率特性

EMI濾波器的抑制噪聲能力的評(píng)定指標(biāo)：插入損耗 IL（InserTIon Loss）。插入損耗的定義如圖11所示。

圖11 插入損耗的定義

共模和差模插入損耗是在50~75W間的某一阻值的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的，是最優(yōu)化和誤導(dǎo)，100/0.1Ω或0.1/100Ω系統(tǒng)才能真實(shí)地預(yù)估實(shí)際應(yīng)用時(shí)的性能。

3.影響濾波器性能的關(guān)鍵特性之三：電源線濾波器的安裝

電源線濾波器安裝時(shí)，容易出現(xiàn)的問題包括，濾波器輸入線過長、輸入輸出發(fā)生耦合、接地不良等。針對(duì)這些問題，電源線濾波器的正確安裝應(yīng)當(dāng)如圖12所示。

圖12 電源線濾波器的正確安裝