??????? 我們知道,造成設(shè)備性能降低或失效的電磁干擾必須同時(shí)具備三個(gè)要素,首先是有一個(gè)電磁場所,其次是有干擾源和被干擾源,最后就是具備一條電磁干擾的耦合通路,以便把能量從干擾源傳遞到受干擾源。因此,為解決設(shè)備的電磁兼容性,必須圍繞這三點(diǎn)來分析。一般情況下,對于EMI的控制,我們主要采用三種措施:屏蔽、濾波、接地。這三種方法雖然有著獨(dú)立的作用,但是相互之間是有關(guān)聯(lián)的,良好的接地可以降低設(shè)備對屏蔽和濾波的要求,而良好的屏蔽也可以使濾波器的要求低一些。下面,我們來分別介紹屏蔽、濾波和接地。
1屏蔽
屏蔽能夠有效的抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個(gè),一個(gè)是限制內(nèi)部的輻射電磁能量外泄出控制區(qū)域,另一個(gè)就是防止外來的輻射電磁能量入內(nèi)部控制區(qū)。按照屏蔽的機(jī)理,我們可以將屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽、和電磁場屏蔽。
1.1 電場屏蔽
一般情況下,電場感應(yīng)可以看成是分布電容間的耦合,圖1是一個(gè)電場感應(yīng)的示意圖。
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圖1 電場感應(yīng)示意圖
其中A為干擾源,B為受感應(yīng)設(shè)備,其中Ua和Ub之間的關(guān)系為
Ub=C1*Ua/(C1+C2)
C1為A、B之間的分布電容;C2為受感應(yīng)設(shè)備的對地電容。
根據(jù)示意圖和等式,為了減弱B上面的地磁感應(yīng),使用的方法有
增大A和B之間的距離,減小C1。
減小B和地之間的距離,增大C2。
在AB之間放置一金屬薄板或?qū)使用金屬屏蔽罩罩住A,C1將趨向0數(shù)值。
相對來說1和2比較容易理解,這里主要針對第3種方法進(jìn)行分析。由圖2可以看出,插入屏蔽板后(屏蔽板接地)。就造成兩個(gè)分布電容C3和C4,其中C3被屏蔽板短路到地,它不會(huì)對B點(diǎn)的電場感應(yīng)產(chǎn)生影響。而受感應(yīng)物B的對地和對屏蔽板的分布電容,C3和C4,實(shí)際上是處在并聯(lián)的位置上。這樣,B設(shè)備的感應(yīng)電壓ub'應(yīng)當(dāng)是A點(diǎn)電壓被A、B之間的剩余電容C1'與并聯(lián)電容C2和C4的分壓,即
Ub=C1'*Ua/(C1'+C2+C4)
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圖2 加入金屬板后的電場感應(yīng)圖
由于C1'遠(yuǎn)小于為屏蔽的C1,所以在B的感應(yīng)電壓就會(huì)減小很多。因此,很多時(shí)候都采用這種接地的金屬罩作為屏蔽物。
以下是對電場屏蔽的幾點(diǎn)要點(diǎn)總結(jié):
屏蔽金屬板放置靠近受保護(hù)設(shè)備比較好,這樣將獲得更大的C4,減小電場感應(yīng)電壓。
屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯的影響,例如,全封裝的金屬盒可以有最好的電場屏蔽效果,而開孔或帶縫隙的屏蔽罩可以有最好的電場屏蔽效果,而且開孔或者帶縫隙的屏蔽罩,其屏蔽效能會(huì)受到不同程度的影響.
屏蔽板的材料以良性導(dǎo)體為佳。對厚度并無特殊要求。
1.2磁場屏蔽
由于磁場屏蔽通常是對直流或很低頻場的屏蔽,其效果和電場屏蔽和電磁場屏蔽相比要差很多,磁場屏蔽的主要手段就是依賴高導(dǎo)磁材料具有的低磁阻,對磁通起分路的作用,使得屏蔽體內(nèi)部的磁場大大減弱。
對于磁場屏蔽需要注意的幾點(diǎn):
減小屏蔽體的磁阻(通過選用高導(dǎo)磁率材料和增加屏蔽體的厚度)
被屏蔽設(shè)備和屏蔽體間保持一定距離,減少通過屏蔽設(shè)備的磁通。
對于不可避免使用縫隙或者接風(fēng)口的,盡量使縫隙或者接風(fēng)口呈條形,并且順沿著電磁線的方向,減少磁通。
對于強(qiáng)電場的屏蔽,可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。對要屏蔽外部強(qiáng)磁場的,則屏蔽體外層要選用不易磁飽和的材料,如硅鋼等;而內(nèi)部可選用容易到達(dá)飽和的高導(dǎo)磁材料。因?yàn)榈谝淮纹帘蜗魅醪糠郑诙蜗魅醮蟛糠?,如果都使用高?dǎo)磁,會(huì)造成進(jìn)入一層屏蔽的在一層和二層間造成反射。如果要屏蔽內(nèi)部的磁場,則相反。而屏蔽體一般通過非磁性材料接地。
1.3電磁場屏蔽
電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻隔電磁場在空間傳播的一種措施。和前面電場和磁場的屏蔽機(jī)理不同,電磁屏蔽對電磁波的衰減有三個(gè)過程:
當(dāng)電磁波在到達(dá)屏蔽體表面時(shí),由于空氣與金屬的交界面上阻抗不連續(xù),對入射波產(chǎn)生反射,這種反射不要求屏蔽材料必須有一定厚度,只需要交界面上的不連續(xù)。
進(jìn)入屏蔽體的電磁波,在屏蔽體中被衰減。
穿過屏蔽層后,到達(dá)屏蔽層另一個(gè)屏蔽體,由于阻抗不連續(xù),產(chǎn)生反射,重新回到屏蔽體內(nèi)。
從上面三個(gè)過程看來,電磁屏蔽體對電磁波的衰減主要是反射和吸收衰減。
1.4電磁屏蔽體和屏蔽效率
屏蔽效率是對屏蔽體進(jìn)行性能評估的一個(gè)指數(shù),它的表達(dá)式為:
SE(db)=A+R+B
1) 其中A為吸收損耗,吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時(shí)能量損耗的數(shù)量,吸收損耗可以通過下面的公式計(jì)算:
AdB=1.314(f*σ*μ)1/2*t
f: 頻率(MHz) μ:銅的導(dǎo)磁率 σ:銅的導(dǎo)電率 t:屏蔽體厚度
2) R指反射損耗,反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產(chǎn)生源的性質(zhì)以及與波源的距離。對于桿狀或直線形發(fā)射天線而言,離波源越近波阻抗越高,然后隨著與波源距離的增加而下降,但平面波阻抗則無變化(恒為377)。相反,如果波源是一個(gè)小型線圈,則此時(shí)將以磁場為主,離波源越近波阻抗越低,波阻抗隨著與波源距離的增加而增加,但當(dāng)距離超過波長的六分之一時(shí),波阻抗不再變化,恒定在377處。反射損耗隨波阻抗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(shè)備。
近場反射損耗可按下式計(jì)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指波源與屏蔽之間的距離。
3) SE算式最后一項(xiàng)是校正因子B,其計(jì)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(nèi)部的再反射會(huì)使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個(gè)負(fù)數(shù),表示屏蔽效率的下降情況。
也就是說,我們想抑制住EMI,必須提高屏蔽效率,那么,屏蔽材料的選擇也變得很重要了.只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才能在極低頻率下達(dá)到較高屏蔽效率。這些材料的導(dǎo)磁率會(huì)隨著頻率增加而降低,另外如果初始磁場較強(qiáng)也會(huì)使導(dǎo)磁率降低,還有就是采用機(jī)械方法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會(huì)降低導(dǎo)磁率。
在高頻電場下,采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達(dá)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(gè)法拉第籠)。然而在實(shí)際中要制造一個(gè)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(gè)部分進(jìn)行制作,因此就會(huì)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(shè)計(jì)屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生孔隙,而且設(shè)備運(yùn)行過程中還會(huì)需要用到這些孔隙。制造、面板連線、通風(fēng)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(shè)計(jì)中對與電路工作頻率波長有關(guān)的溝槽長度作仔細(xì)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(dāng)縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時(shí),RF波開始以20dB/lO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(yán)重,因?yàn)樗牟ㄩL越短。當(dāng)涉及到最高頻率時(shí),必須要考慮可能會(huì)出現(xiàn)的任何諧波,
一旦知道了屏蔽罩內(nèi)RF輻射的頻率及強(qiáng)度,就可計(jì)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,則150mm的縫隙將會(huì)開始產(chǎn)生衰減,因此當(dāng)存在小于150mm的縫隙時(shí),1GHz輻射就會(huì)被衰減。所以對1GHz頻率來講,若需要衰減20dB,則縫隙應(yīng)小于15 mm(150mm的1/10),需要衰減26dB時(shí),縫隙應(yīng)小于7.5mm(15mm的1/2以上),需要衰減32dB時(shí),縫隙應(yīng)小于3.75mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合適的導(dǎo)電襯墊使縫隙大小限定在規(guī)定尺寸內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)這種衰減效果。由于接縫會(huì)導(dǎo)致屏蔽罩導(dǎo)通率下降,因此屏蔽效率也會(huì)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(shí)可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時(shí),可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導(dǎo)特性;另一種實(shí)現(xiàn)較高長度直徑比的方法是附加一個(gè)小型金屬屏蔽物,如一個(gè)大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構(gòu)成多孔屏蔽罩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
多孔薄型屏蔽層:多孔的例子很多,比如薄金屬片上的通風(fēng)孔等等,當(dāng)各孔間距較近時(shí)設(shè)計(jì)上必須要仔細(xì)考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計(jì)算公式
SE=[20lg(fc/o/σ)]-10lg n其中f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(jì)算金屬編織網(wǎng)的相關(guān)屏蔽效率。
接縫和接點(diǎn):電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進(jìn)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(dǎo)電的金屬填滿,保持高阻狀態(tài).導(dǎo)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(huì)散發(fā)出去。EMI襯墊是一種導(dǎo)電介質(zhì),用于填補(bǔ)屏蔽罩內(nèi)的空隙并提供連續(xù)低阻抗接點(diǎn)。
墊片系統(tǒng):一個(gè)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(dǎo)電率。襯墊和墊片之間導(dǎo)電性太差會(huì)降低屏蔽效率,另外接合處如果少了一塊則會(huì)出現(xiàn)細(xì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電襯墊的可壓縮特性可以彌補(bǔ)墊片的任何不規(guī)則情況。
所有襯墊都有一個(gè)有效工作最小接觸電阻,設(shè)計(jì)人員可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個(gè)襯墊的接觸電阻,當(dāng)然這將增加密封強(qiáng)度,會(huì)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(shí)效果比較好。因此在建議的最小接觸面范圍內(nèi),兩個(gè)相向凹點(diǎn)之間的壓力應(yīng)足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導(dǎo)電性。
另一方面,對襯墊的壓力不應(yīng)大到使襯墊處于非正常壓縮狀態(tài),因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)彎曲。
壓縮性也是轉(zhuǎn)動(dòng)接合處的一個(gè)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(huì)隨著門的每次轉(zhuǎn)動(dòng)而下降,此時(shí)襯墊需要更高的壓縮力才能達(dá)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(gè)長期EMI解決方案。
如果屏蔽罩或墊片由涂有導(dǎo)電層的塑料制成,則添加一個(gè)EMI襯墊不會(huì)產(chǎn)生太多問題,但是設(shè)計(jì)人員必須考慮很多襯墊在導(dǎo)電表面上都會(huì)有磨損,通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損。隨著時(shí)間增長這種磨損會(huì)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(jié)構(gòu)是金屬的,那么在噴涂拋光材料之前可加一個(gè)襯墊把墊片表面包住,只需用導(dǎo)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(jī)械固件對EMI襯墊進(jìn)行緊固,例如帶有塑料鉚釘或壓敏粘結(jié)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。
推廣開來說,不僅僅針對高頻電路,一般系統(tǒng)都需要進(jìn)行屏蔽,這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)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(shí)之間還是有差別。例如在計(jì)算某個(gè)頻率下襯墊的大小和間距時(shí)還必須考慮信號的強(qiáng)度,如同在一個(gè)設(shè)備中使用了多個(gè)處理器時(shí)的情形。表面處理及墊片設(shè)計(jì)是保持長期屏蔽以實(shí)現(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因素。
2濾波
濾波通常采用三種器件來實(shí)現(xiàn):去耦電容、EMI濾波器和磁性元件。
2.1去耦電容
前面我們曾經(jīng)分析過,當(dāng)電路在很快的器件高低電平變換的時(shí)候,就會(huì)產(chǎn)生一系列的正弦諧波分量,這些正弦諧波分量就是我們所說的EMI成分,這些高頻諧波會(huì)通過和其他設(shè)備之間的耦合通道對其他設(shè)備造成電磁干擾。合理使用去耦電容就能起到很好的抑制電磁干擾的效果,實(shí)際的電容是可以等效圖3所示的模型:
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圖3 電容的等效模型
其中等效串聯(lián)電阻我們稱之為ESR,等效串聯(lián)電感我們稱之為ESL,我們可以計(jì)算出這個(gè)等效電容的諧振頻率為:
Fr=1/2π√LC
電容的濾波原理就是通過這個(gè)頻率來確定。小于諧振頻率的時(shí),電容體現(xiàn)為容性,而當(dāng)頻率大于諧振頻率的時(shí),電容就體現(xiàn)為感性。所以,我們在濾除較為低頻的噪聲的時(shí)候,就應(yīng)當(dāng)選擇電容值比較高的電容,想濾去頻率較高的噪聲,比如我們前面所說的EMI,則應(yīng)該選擇數(shù)值比較小的電容。所以,在實(shí)際中,我們通常放置一個(gè)1uf到10uf左右的去耦電容在每個(gè)電源輸出管腳處,來抑制低頻成分,而選取O.01uf到O.1uf左右的去耦電容來濾除高頻部分(對去耦電容的特性分析請參考第五章電源完整性分析)。 為了獲得最佳的EMI抑制效果,我們最好能在每組電源和地的引腳都能安裝一個(gè)電容,但是如果電源在流出引腳前在Ic內(nèi)部已經(jīng)放置去耦電容,那么在引腳處就不必在和每個(gè)地之間連接一個(gè)電容了.但是這樣對IC芯片的成本會(huì)相應(yīng)提高。
圖4是一個(gè)放置耦合電容和不放置耦合電容的EMI仿真比較:
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圖4 去耦電容對抑制EMI的作用
2.2 EMI濾波器
EMI濾波一般是用在對電源線的濾波,它是用來隔離電路板或者系統(tǒng)內(nèi)外的電源,它的作用是雙向的,即可以作為輸出濾波,也可以作為輸入濾波.EMI濾波器是由電感和電容組成。比較常見的幾種EMI濾波器有:穿心電容,L型濾波器,Ⅱ型濾波器,T型濾波器等。對于不同濾波器的選擇,我們通常是通過濾波器接入端的阻抗大小來決定。如果電源線兩端都為高阻,那么易選用穿心電容和Ⅱ型濾波器,但是Ⅱ型濾波器的衰減速度比穿心電容大;如果兩端阻抗相差比較大,適宜選擇L型濾波器,其中電感接入低阻如果兩端都為低阻抗,那么就選用T型濾波器。
2.3 磁性元件
磁性元件是由鐵磁材料構(gòu)成的,有來抑制EMI,最常見的磁性元件有磁珠,磁環(huán),扁平磁夾子。磁環(huán)和磁夾子一般用在連接線上,如圖5所示。
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圖5 磁性元件示意圖
磁性元件的工作原理很簡單,就是相當(dāng)于在傳輸線上串入一電感,廠家一般會(huì)提供與圖6類似的特性圖,設(shè)計(jì)者必須根據(jù)需求來選擇相應(yīng)的磁性元件,在下圖中,線上串接一個(gè)磁性元件的插入損耗可由下面這個(gè)公式計(jì)算得出:
Loss(dB)=20log[(Zs+Zf+Z1)/(Zs+Z1)]
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圖6 磁性元件的特性圖
由于磁性元件并不增加線路中的直流阻抗,這使得它非常適合用在電源線上做EMI抑制器件。由于磁珠很小也很容易處理,所以有時(shí)候也把它用在信號線上作為EMI抑制器件,但是它掩蓋了問題的本質(zhì),影響了信號的上升下降時(shí)間,除非萬不得以或者在設(shè)計(jì)的最后調(diào)試階段,一般不推薦使用。
3 接地
實(shí)際中,信號的基本接地方式有三種,浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。
1.浮地
浮地就是指和公共地分開的接地。采用浮地的目的是為了將電路或者設(shè)備與公共地或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來。浮地還可以使不同電位的電路之間的配合變得簡單。由于浮地和其他公共地之間隔離開,所以,一般不會(huì)受到其他地上噪聲的影響,但是,卻容易在浮地上面形成靜電的堆積,時(shí)間長了就會(huì)形成靜電干擾。目前有種解決辦法是采用大電阻將接浮地設(shè)備和大地相連,能夠進(jìn)行靜電釋放。
2.單點(diǎn)接地
單點(diǎn)接地是指在一個(gè)電路或者設(shè)備中,只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義接地參考點(diǎn),電路或者設(shè)備中所以的接地信號都接到這個(gè)接地點(diǎn),由于所有的接地信號都接到一起,由于每個(gè)信號接地的距離不一樣,很容易使接地點(diǎn)的電平不穩(wěn)定,而且,更為嚴(yán)重的一個(gè)問題是單點(diǎn)接地不適合高頻電路或者設(shè)備。因?yàn)樵诟哳l下,信號波長很小,如果接地線的長度接近λ/4的時(shí)候,接地處會(huì)形成短路,反射系數(shù)為-1,信號會(huì)反射回來,達(dá)不到接地效果,所以,對于高頻電路,我們不提倡使用單點(diǎn)接地方式而使用多點(diǎn)接地方式。
3.多點(diǎn)接地
多點(diǎn)接地是指設(shè)備或電路中的各個(gè)接地都直接接到離它最近的接地平面上,以使得各個(gè)接地線的長度遠(yuǎn)小于λ/4。多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單,而且接地線上出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象明顯減少。但是多點(diǎn)接地系統(tǒng)中的地線回路對系統(tǒng)提出了跟高的要求,保證各個(gè)接地點(diǎn)之間的穩(wěn)定電平和低阻抗是必須注意的一個(gè)問題。
4.混合接地
由于單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn),所以,有很多情況下,系統(tǒng)內(nèi)部將單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種混合使用,也就是我們說的混合接地。先將電路中的所有電路接地特性進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì),將那些必須多點(diǎn)接地的使用多點(diǎn)接地,而其余的進(jìn)行單點(diǎn)接地。示意圖7是一種混合接地的方式,對于直流,電容是開路的,電路是單點(diǎn)接地,對于射頻,電容是導(dǎo)通的電路是多點(diǎn)接地。
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圖7 混合接地示意圖
良好的接地能夠減緩電壓瞬變,保證良好的信號回流路徑,它是抑制EMI的一種重要手段。特別是將屏蔽和接地配合使用,這樣對于高頻下的電磁兼容性問題,往往能取到事半功倍的效果。第八章中還有對接地理論的更詳細(xì)的分析。
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