ESD/EMI/EMC電路設計技巧 ——電磁干擾的屏蔽方法

　　電磁兼容是指“一種器件、設備或系統(tǒng)的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時不會對此環(huán)境中任何其他設備產(chǎn)生強烈電磁干擾。”對于無線收發(fā)設備來說，采用非連續(xù)頻譜可部分實現(xiàn) EMC 性能，但是很多有關的例子也表明 EMC 并不總是能夠做到。例如在筆記本電腦和測試設備之間、打印機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

　　所有電器和電子設備工作時都會有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時變化速率還相當快，這樣會導致在不同頻率內或一個頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應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入一個電路：輻射和傳導。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合的方式來實現(xiàn)，大多數(shù)時候下面這些簡單原則可以有助于實現(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敏感電路的抗干擾能力等。EMI 抑制性、隔離性和低敏感性應該作為所有電路設計人員的目標，這些性能在設計階段的早期就應完成。

　　對設計工程師而言，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電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導電漆及鋅線噴涂等)。無論是金屬還是涂有導電層的塑料，一旦設計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行評估，其單位是分貝，計算公式為 SEdB=A+R+B 其中 A：吸收損耗(dB) R：反射損耗(dB) B：校正因子(dB)(適用于薄屏蔽罩內存在多個反射的情況) 一個簡單的屏蔽罩會使所產(chǎn)生的電磁場強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能量損耗的數(shù)量，吸收損耗計算式為 AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

　　其中 f：頻率(MHz) μ：銅的導磁率 σ：銅的導電率 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，如果波源是一個小型線圈，則此時將以磁場為主，離波源越近波阻越低。波阻隨著與波源距離的增加而增加，但當距離超過波長的六分之一時，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備。

　　近場反射損耗可按下式計算

　　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 算式最后一項是校正因子 B，其計算公式為 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，所以校正因子是個負數(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磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低，還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會降低導磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導磁性材料非常復雜，通常要向 EMI 屏蔽材料供應商以及有關咨詢機構尋求解決方案。

　　在高頻電場下，采用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的屏蔽效果，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(形成一個法拉第籠)。然而在實際中要制造一個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部分進行制作，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。

　　設計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產(chǎn)生孔隙，而且設備運行過程中還會需要用到這些孔隙。制造、面板連線、通風口、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，但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。

　　任一頻率電磁波的波長為: 波長(λ)=光速(C)/頻率(Hz) 當縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時，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重，因為它的波長越短。當涉及到最高頻率時，必須要考慮可能會出現(xiàn)的任何諧波，不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可。

　　一旦知道了屏蔽罩內 RF 輻射的頻率及強度，就可計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， 因此當存在小于 150mm 的縫隙時，1GHz 輻射就會被衰減。所以對 1GHz 頻率來講，若需要衰減 20dB，則縫隙應小于 15 mm(150mm 的 1/10)，需要衰減 26dB 時，縫隙應小于 7.5 mm(15mm 的 1/2 以上)，需要衰減 32dB 時，縫隙應小于 3.75 mm(7.5mm的 1/2 以上)。

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

　　4、屏蔽設計難點

　　由于接縫會導致屏蔽罩導通率下降，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 時可獲得 100dB 的衰減。在需要穿孔時，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性;另一種實現(xiàn)較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物，如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構成多孔屏蔽罩設計基礎。

　　多孔薄型屏蔽層：多孔的例子很多，比如薄金屬片上的通風孔等等，當各孔間距較近時設計上必須要仔細考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計算公式

　　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，也可用于計算金屬編織網(wǎng)的相關屏蔽效率。

　　接縫和接點：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進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電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進行固定，因為緊固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長久保持。

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

　　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備滿足 EMC 標準， 關鍵是在屏蔽罩內正確地對墊片進行設計。

　　墊片系統(tǒng)：一個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)生較高導電率。襯墊和墊片之間導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。導電襯墊的可壓縮特性可以彌補墊片的任何不規(guī)則情況。

　　所有襯墊都有一個有效工作最小接觸電阻，設計人員可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻，當然這將增加密封強度，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%時效果比較好。因此在建議的最小接觸面范圍內，兩個相向凹點之間的壓力應足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導電性。

　　另一方面，對襯墊的壓力不應大到使襯墊處于非正常壓縮狀態(tài)，因為此時會導致襯墊接觸失效，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，這種設計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構彎曲。

　　壓縮性也是轉動接合處的一個重要特性，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動而下降，此時襯墊需要更高的壓縮力才能達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，因此需要一個長期 EMI 解決方案。

　　如果屏蔽罩或墊片由涂有導電層的塑料制成，則添加一個 EMI 襯墊不會產(chǎn)生太多問題，但是設計人員必須考慮很多襯墊在導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構是金屬的，那么在噴涂拋光材料之前可加一個襯墊把墊片表面包住，只需用導電膜和卷帶即可。若在接合墊片的兩邊都使用卷帶，則可用機械固件對 EMI 襯墊進行緊固，例如帶有塑料鉚釘或壓敏粘結劑(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(帶彈性內芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線、導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到的 SE 估計值，但要記住 SE 是個相對數(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)境密封標準。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的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和復雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線穩(wěn)定，可防潮、防風、防清洗溶劑，內部涂層則進行金屬化處理并具有較高導電性。最近的另外一項革新是在 EMI襯墊上裝了一個塑料夾，同傳統(tǒng)壓制型金屬襯墊相比，它的重量較輕，裝配時間短，而且成本更低，因此更具市場吸引力。

　　6、結論

　　設備一般都需要進行屏蔽，這是因為結構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)實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度，如同在一個設備中使用了多個處理器時的情形。表面處理及墊片設計是保持長期屏蔽以實現(xiàn) EMC 性能的關鍵因素。