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【经验总结】EMC电磁屏蔽材料设计指南

手机结构设计联盟  · 公众号  ·  · 2024-10-14 08:30

正文

EMC电磁屏蔽材料设计指南(一)


什么是电磁兼容性?


电磁兼容是一台设备在所处环境中能满意工作的能力,既不对其他设备造成干扰,也不受其他干扰源的影响。干扰的定义是能引起误动作或性能下降的电磁能量,称为EMI


任何一个电磁能量会产生扩散的球面波,这种波在所有方向上传播。在任何一点,这种波包含相互垂直的电场分量和磁场分量,这两种分量都垂直于波的传播方向,如下图所示



如下图所示的频谱中的任何评率的都能引起干扰,但主要的干扰问题是由10KHz~1GHz范围内的射频能量引起的,射频干扰(FRI)是电磁干扰的一种特殊形式,光、热和X射线是电磁能量的其他特殊形式


电磁干扰需要两个基本条件:电磁能量源和对这个源产生的特定幅度、频率的能量敏感的器件,称为敏感器


电磁干扰分为两类:辐射干扰和传导干扰,这是有传播路径的类型来定的


当一个器件发射的能量,通常是射频能量,通过空间到达敏感器时,称为辐射干扰。干扰源既可以是受干扰系统中的一部分,也可以是完全电气隔离的单元。传导干扰的产生是因为源与敏感器之间有电磁线或信号电缆连接,干扰沿着电缆从一个单元传到另一个单元。传导干扰经常会影响设备的电源,这可以通过滤波器来控制。辐射干扰能影响设备中的任何信号路径,其屏蔽有较大难度


辐射电磁能量成为电磁干扰的机理可以由法拉第定律来解释。这个定律表明当一个变化的电场作用于一个导体时,在这个导体上会感应出电流。这个电流与工作电流无关,但是电路会象与工作电流一样来接收这个电流并发生响应。换句话说,随机的射频信号能够向计算机发出指令,使程序发生变化


技术驱动


有许多因素使EMC成为电子设备设计中重要的内容。

首先,日益增多的电子设备带来了许多电磁干扰源和敏感器,这增加了潜在的干扰。

设备的小型化使源与敏感器靠得很近。这使传播路径缩短,增加了干扰的机会。器件的小型化增加了它们对干扰的敏感度。由于设备越来越小并且便于携带,象汽车电话、膝上计算机等设备随处可用,而不一定局限于办公室那样的受控环境。这也带来了兼容性问题。例如,许多汽车装有包括防抱死控制系统在内的大量的电子电路,如果汽车电话与这个控制系统不兼容,则会引起误动作。


互联技术的发展降低了电磁干扰的阈值。例如,大规模集成电路芯片较低的供电电压降低了内部噪声门限,而它们精细的几何尺寸的较低的电平下就受到电弧损坏。它们更快的同步操作产生更尖的电流脉冲,这会带来从I/O端口产生宽带发射的问题。一般来说,高速数字电路比统的模拟电路产生更多的干扰。

传统上,电子线路装在金属盒内,这种金属盒能够通过切断电磁能量的传插路径来提供屏蔽作用。现在,为了减轻重量、降低成本,越来越多地采用塑料机箱。塑料机箱对与电磁干扰是透明的,因此敏感器件处于无保护的状态。


法律的变化也是驱动力支一。控制电磁发射和敏感度的强制标准的实施,迫使制造商们实施EMC计划。产品可靠性的法规将使可靠性成为头等重要的事项,因为一旦设备由于干扰而产生误动作造成伤害,制造商要承担法律责任。这对于医疗设备特别重要。


在竞争日益激烈的工业中,可靠性已经成为电子设备的一个重要市场特征。自动化设备,特别是医疗设备,必须连续工作,这时设备内的EMI屏蔽技术提高了设备的可靠性。


对于数据保密的要求是屏蔽市场发展的一个重要动力。已有报道揭露美国驻莫斯科使追究中的信息已被前苏联窃取到,这是通过接收使馆内设备产生的电磁能量来实现的。同样的技术也被用来截获密码,然后攻击银行计算机系统。通过屏蔽,设备的电磁发射能够减小,提高系统的安全性。


现在,人们越来越开始注意各种辐射对健康的影响。过量的X射线和紫外线照射的危险已经被充分证明了。现在讨论的焦点是微波和射频显示单元产生的辐射对妇女健康的伤害,因为已经有充分的证据说明在高压线附近生活会患疾病。


法规和标准


对于设备工程师,了解不同市场中对电子设备的EMC法规和标准的知识是十分必要的。  现在有许多关于产品辐射和传导发射限制的国家标准和国际标准。有些还规定了对各种干扰的最低敏感度要求。通常,对于不同类型的电子设备有不同的标准。虽然一个产品要获得市场的成功,满足这些标准是必要的,但符合这些标准是自愿的。


但是,有些国家给出的是规范,而不是标准,因此要在这些国家销售产品,符合标准是强制性的。有些规范不仅规定了标准,还赋予当局罚没不符合产品的权力。下面几节简单概述一下一些主要的管理机构的电磁兼容标准。


测试


现有的规范和标准对产品辐射的电场强度的极限值是在3m、10m或30m处规定的。为了测试设备是否满足这些标准,需要一块能提供被测件与天线之间对应距离的足够大的场地。测试场地的背景电磁能量大大低于测试范围。  被测设备所处的状态必须与实际使用状态相同,I/O接口与适当的外设连接。被测系统要放在转台上,这样可以通过旋转来找到最大辐射信号。转台与天线放在同一个地面上。这样就可以测量系统工作时的辐射了。


这种测试也可以在半无反射室中进行,但一个合适的测试室其尺寸和成本都是可观的。大多数辐射测试是在开阔场中进行,开阔场是精心选择的,其电磁背景很低,周围没有反射物,如建筑物。


为了获得不同材料的屏蔽效能,采用一些其它的测试方法。屏蔽盒是最先开发的方法之一。在密封的屏蔽盒内放置接收天线的装置。这个盒子上有一个方形的开口,将它放置在屏蔽室内使外界干扰最小。屏蔽室内有信号发生器和发射天线。被测材料的样品牢固地夹在盒子的开口上,记录下发射天线处的场强和接收天线处的场强。这种材料的屏蔽效能就是两个值的比值。纯铜板可以用来作为参考值。下图所示的四个屏蔽室的装置可以用来提高测量精确度,并且拓宽测量的频率范围。


EMC电磁屏蔽材料设计指南(二)



干扰源


RFI/EMI源可以划分为两类

天然干扰源—例如雷电放电

人为干扰源—它可以进一步划分为有意和无意干扰源,有意辐射信号来源于电源开关,焊接设备和射频加热器,实际上,所有电子和电气设备都不同程度的产生辐射干扰。


干扰场


干扰能量沿着导线和自由空间传播。因此它成为与线路有关的干扰电压和辐射干扰场强。所传播的各种干扰都存在一定的频率范围。

低于30MHz的低频干扰,主要是在导线中传播。这种干扰不能靠简单的屏蔽机壳来防止,而只能用适当的线路滤波器来保护有用信号不受损害。更高频率的干扰(>30MHz)与导线的辐射有关,因为这时导线尺寸可以和波长相比拟。

就电磁波而论,电场强度E和磁场强度H是由一定的关系或联系在一起的。通常是将电场分量和磁场分量分别屏蔽。在相应的频率范围中符合一定的规则。

在约1MHz以下的较低频率范围内,平行于导体壁的电力线是连续的。这里,频率的影响取决于所用屏蔽材料的壁厚和导磁率。


在1MHz至100MHz的频率范围内,屏蔽柜内受干扰影响的部位包括:前面板的连接面、门或 窗以及引入的主要部件。这时电力线不再保证

全部是连续的,从约100MHz频率开始,电场屏蔽效能将逐渐减小,而磁场屏蔽效能则不再增加。


对于100MHz以上频率范围,所传播的波的电场和磁场分量应当认为是相等的。均匀平面波的屏蔽取决于各自分量在屏蔽材料表面的集肤效应,屏蔽材料的导电率将决定波的反射损耗


RFI/EMI传输的含意


RFI/EMI可以通过传导,耦合或辐射离开干扰源或进入敏感设备,在设备的一部分和另一部分之间,如电源和附近的电路之间,或在两个分开的设备之间,都会产生干扰。


①传导

RFI/EMI可以通过信号线、天线馈线、电源线、甚至通过RFI/EMI敏感设备之间的接地线进行传导。


②耦合

EFI/EMI可以在具有某些互阻抗的元件、电路或设备之间耦合,通过这种互阻抗,一个电路中的电流或电压能在另一电路中引起电流或电压。互阻抗可以是电导、电容或电感,或者是它们的任意组合。


③辐射

RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板,以及机壳的非理想连接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射,任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。


如何进行屏蔽


当电磁波在导电体内引起感应电流时,如果该导电体是由良好导体制成,此电流不会穿透该导电体。如果敏感设备封闭在一个较大的导电体内,例如在铜制机柜内,就能产生有交的屏蔽。然而,应当明白,电磁波所感应的电流不应传导至屏蔽体的内部,这样的电流才是允许的,否则,该电流就有可能传导至设备或通过电磁波到达设备。在屏蔽体外抑制该电流和电磁波是屏蔽外部干扰的实质。








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