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電磁干擾
閱讀�23739時間�2010-11-22 14:09:10

  電磁干擾(EMI),有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩�。傳�(dǎo)干擾是指通過�(dǎo)電介�(zhì)把一個電�(wǎng)�(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電�(wǎng)�(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電�(wǎng)�(luò)。在高速PCB及系�(tǒng)�(shè)計中,高�信號��集成電路的引腳、各�接插�等都可能成為具有天線特性的輻射干擾�,能�(fā)射電磁波并影響其他系�(tǒng)或本系統(tǒng)�(nèi)其他子系�(tǒng)的正常工��

存在方式

  �(guān)于電磁干擾復(fù)雜性的眾多原因中的一個,即干擾可以以兩種不同的模式(共模模式和差模模式)存在,參見圖a和圖b所示�

  “共?!备蓴_是指存在于線(包括電源線、信號線在內(nèi))對大地之間的干�,其�,對于電源線,則特指火線對大地,或中線對大地之間的干�。對三相電路來說,共模干擾存在于任何一相與大地之間的干�。共模干擾有時也稱為縱模干擾、不對擾干擾和接地干�。這是載流�(dǎo)體與大地之間的干擾�

  “差?!备蓴_是線與線之間(包括電源線之間,信號線和它的接地回線之間)的干擾。針對電源線,差模干擾則特指相線與中線之間的干擾;對三相電路來說,差模干擾還指存在于相線與相線之間的干擾。差模干擾有時也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流�(dǎo)體之間的電位��

  干擾存在的模式提示出了干擾源與耦合通路之間的關(guān)�。舉例說共模干擾提示了干擾是由輻射或�?dāng)_形式耦合到電路里面的。如雷電、設(shè)備近處的電弧、附近的電臺、其他大功率輻射裝置在電源線上的干擾,也包括機箱�(nèi)部線路或其他電纜對電源線的干�。由于是來自空間的感�(yīng)(電磁輻�、電感耦合和電容耦合�,故對每一根線的作用是相同�。而差模干擾則提示出干擾是起源在同一電源線路之中(直接注入)。如同一線路中工作的電機、開�(guān)電源、可控硅�,它們在電源線上所�(chǎn)生的干擾就是差模干擾�

  通常,線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在�,而且由于線路阻抗的不平衡,兩種分量在傳輸中會互相�(zhuǎn)�。干擾在線路上經(jīng)過長距離傳輸后,差模分量的衰減要比共模分量大,這是因為線間阻抗和線-地阻抗不同的緣故。另一方面,共模干擾的頻率一般分布在1�2MHz以上,因此共模干擾在線路上傳�?shù)耐瑫r,還會向周圍鄰近空間輻射(這是因為�-地阻抗較�,加上共模干擾的頻率比較高,故容易逸出傳輸�,形成空間感�(yīng)�。電源線的輻�,特別是進入�(shè)備內(nèi)部后的電源線輻射,可進一步耦合到信號電路去形成干擾,所以很難防范。而差模干擾的頻率相對較低,不易形成輻�。再加上在一般線路中,在對付差模干擾時己�(jīng)有了不少措施(例如在�(wěn)壓電路中己經(jīng)用了很大的電�;在印刷線路板上,電源線與地線之間也普遍使用了去耦電容),故由差模干擾引起設(shè)備誤動作的機會相對少�。因此,�(shè)備的敏感度問題大部分是由共模干擾引起��

  在當(dāng)前共模干擾是我們考慮的重�,這可以從常用的抗擾度試驗�(nèi)容來得到證實。其中靜電試�、高頻輻射電磁場試驗、電快速瞬�(tài)脈沖群試驗、線-地間的雷擊浪涌試驗和由射頻場感應(yīng)所引起的傳�(dǎo)試驗等等,對受試�(shè)副和線路來說,它們所感受到的都是共模干擾�

類型

  造成電磁干擾�(fù)雜性(特別電源線干擾的�(fù)雜性)的第二個原因是干擾表現(xiàn)的形式很多,可以從持�(xù)期很短的尖峰干擾直至電網(wǎng)完全失電。其中也包括了電壓的變化(如電壓跌落、浪涌和中斷�、頻率變化、波形失真(包括電壓和電流的�、持�(xù)噪聲或雜�,以及瞬變等�。下表是�(jīng)常可以見到的干擾類型和它們的起因�

干擾類型和它們的起因

  不是所有的電磁干擾都會給電子設(shè)備帶來麻�,事實上只有兩個是非常重要的原因:持續(xù)期短的尖峰干擾和長時間的電壓跌落。尖峰干擾可以通過�?dāng)_或直接進入電源的方式耦合到系�(tǒng)去,從而引起內(nèi)部邏輯電路的偽觸�(fā)。電壓的跌落可以引起存貯電路或其他易失數(shù)�(jù)的丟�。而另外一些干�,如輕微的過電壓、諧波失真或頻率偏移等通常是不會引起計算機化系�(tǒng)誤動作的�

對設(shè)備工作的影響

  有三組代表性的�(shù)�(jù)描述電源線干擾對于設(shè)備工作的影響,分別由美國IBM公司、AT&T公司和美國海軍作出:� 美國IBM公司的Allen和Segal�1974年對裝在美國、加拿大和墨西哥�49臺計算機的故障作了統(tǒng)計和分析,認為造成計算機故障中的電源起因,�49[%]是振蕩瞬��39.5[%]是脈沖干擾,11[%]是電壓跌�,另�0.5[%]是電源中��

 ?�?美國AT&T公司的Goldstenin和Sperenza�1982年對通信�(shè)備故障原因進行了分析,認為由電源造成的部分起因中,有87[%]是電壓跌落,7.5[%]是脈沖干��4.7[%]是電源失�,另�0.8[%]是電壓浪��

  � 美國海軍的Thomas Key匯總了海軍系�(tǒng)十年�(nèi)的計算機事故,認為電壓過低是造成計算機故障的首要原因�

  以上三組�(shù)�(jù)的結(jié)論大相徑�,其差異可歸�(jié)為統(tǒng)計對象的不同。但從三組數(shù)�(jù)還是可以看出一些端倪:因電源問題造成�(shè)備故障的主要原因有兩個,分別是電壓過低和電源中有瞬變干擾(振蕩瞬變和脈沖干擾��

屏蔽方法

  EMC問題常常是制約中國電子產(chǎn)品出口的一個原�,本文主要論述EMI的來源及一些非常具體的抑制方法

  電磁兼容�(EMC)是指“一種器�、設(shè)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�(huán)境中任何其他�(shè)備產(chǎn)生強烈電磁干�(IEEE C63.12-1987)”對于無線收�(fā)�(shè)備來�,采用非連續(xù)頻譜可部分實�(xiàn)EMC性能,但是很多有�(guān)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(shè)備之�、打印機和臺式電腦之間以及蜂窩電話和�(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)

  EMC問題來源

  所有電器和電子�(shè)備工作時都會有間歇或連續(xù)性電壓電流變�,有時變化速率還相�(dāng)�,這樣會導(dǎo)致在不同頻率�(nèi)或一個頻帶間�(chǎn)生電磁能�,而相�(yīng)的電路則會將這種能量�(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�(dǎo)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�(dǎo)則通過耦合到電�、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�

  很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽�(jié)合的方式來實�(xiàn),大多數(shù)時候下面這些簡單原則可以有助于實�(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(yīng)該作為所有電路設(shè)計人員的目標(biāo),這些性能在設(shè)計階段的早期就應(yīng)完成

  對設(shè)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�,從金屬�、薄金屬片和箔帶到在�(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)無論是金屬還是涂有導(dǎo)電層的塑料,一旦設(shè)計人員確定作為外殼材料之�,就可著手開始選擇襯�

  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�,計算公式為

  SEdB=A+R+B

  其中 A:吸收損�(dB) R:反射損�(dB) B:校正因�(dB)(適用于薄屏蔽罩內(nèi)存在多個反射的情況)

  一個簡單的屏蔽罩會使所�(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�100dB

  吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的�(shù)�,吸收損耗計算式�

  AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

  其中 f:頻�(MHz) μ:銅的導(dǎo)磁率 σ:銅的導(dǎo)電率 t:屏蔽罩厚度

  反射損�(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�(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�,但平面波阻則無變化(恒為377)

  相反,如果波源是一個小型線�,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�,但�(dāng)距離超過波長的六分之一�,波阻不再變化,恒定�377�

  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�,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)�

  近場反射損耗可按下式計�

  R(�)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R(�)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�

  SE算式一項是校正因子B,其計算公式�

  B=20lg[-exp(-2t/σ)]

  此式僅適用于近磁場環(huán)境并且吸收損耗小�10dB的情況由于屏蔽物吸收效率不高,其�(nèi)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�(shù),表示屏蔽效率的下降情況

  EMI抑制策略

  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到較高屏蔽效率這些材料的導(dǎo)磁率會隨著頻率增加而降�,另外如果初始磁場較強也會使�(dǎo)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(dǎo)磁率綜上所�,選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)�,通常要向EMI屏蔽材料供應(yīng)商以及有�(guān)咨詢機構(gòu)尋求解決方案

  在高頻電場下,采用薄層金屬作為外殼或�(nèi)襯材料可達到良好的屏蔽效�,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�)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�,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

  �(shè)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�(shè)備運行過程中還會需要用到這些孔隙制�、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�,但在屏蔽設(shè)計中對與電路工作頻率波長有關(guān)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�: 波長(λ)=光�(C)/頻率(Hz)

  �(dāng)縫隙長度為波�(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)�6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減通常RF�(fā)射頻率越高衰減越�(yán)重,因為它的波長越短�(dāng)涉及到頻率時,必須要考慮可能會出�(xiàn)的任何諧�,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(nèi)RF輻射的頻率及強度,就可計算出屏蔽罩的允許縫隙和溝槽例如如果需要對1GHz(波長�300mm)的輻射衰�26dB,�150mm的縫隙將會開始產(chǎn)生衰�,因此當(dāng)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�20dB,則縫隙�(yīng)小于15 mm(150mm�1/10),需要衰�26dB�,縫隙應(yīng)小于7.5 mm(15mm�1/2以上),需要衰�32dB時,縫隙�(yīng)小于3.75 mm(7.5mm�1/2以上)

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

  屏蔽�(shè)計難�

  由于接縫會導(dǎo)致屏蔽罩�(dǎo)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�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�(dǎo)特性;另一種實�(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(gòu)成多孔屏蔽罩�(shè)計基�(chǔ)

  多孔薄型屏蔽層:多孔的例子很�,比如薄金屬片上的通風(fēng)孔等等,�(dāng)各孔間距較近時設(shè)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� n:孔洞數(shù)�

  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�(guān)屏蔽效率

  接縫和接點:電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進行性固定的常用方式,接合部位金屬表面必須清理干�,以使接合處能完全用�(dǎo)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�(tài)不容易長久保�

  �(dǎo)電襯墊的作用是減少接縫或接合處的�、孔或縫隙,使RF輻射不會散發(fā)出去EMI襯墊是一種導(dǎo)電介�(zhì),用于填補屏蔽罩�(nèi)的空隙并提供連續(xù)低阻抗接點通常EMI襯墊可在兩個導(dǎo)體之間提供一種靈活的連接,使一個導(dǎo)體上的電流傳至另一�(dǎo)�

  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� ·安裝方法和密封強� ·與外罩電流兼容性以及對外部�(huán)境的抗腐蝕能� ·工作溫度范圍 ·成本

  大多�(shù)商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使�(shè)備滿足EMC�(biāo)�(zhǔn),關(guān)鍵是在屏蔽罩�(nèi)正確地對墊片進行�(shè)�

  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�(chǎn)生較高導(dǎo)電率襯墊和墊片之間導(dǎo)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�(xiàn)細縫而形成槽狀天線,其輻射波長比縫隙長度小�4�

  確保�(dǎo)通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并�(jīng)過必要處理以具有良好�(dǎo)電�,這些表面在接合之前必須先�??;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�(dǎo)電襯墊的可壓縮特性可以彌補墊片的任何不規(guī)則情�

  所有襯墊都有一個有效工作最小接觸電�,設(shè)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(dāng)然這將增加密封強度,會使屏蔽罩變得更為彎曲大多�(shù)襯墊在壓縮到原來厚度�30[%]�70[%]時效果比較好因此在建議的最小接觸面范圍�(nèi),兩個相向凹點之間的壓力�(yīng)足以確保襯墊和墊片之間具有良好的�(dǎo)電�

  另一方面,對襯墊的壓力不�(yīng)大到使襯墊處于非正常壓縮狀�(tài),因為此時會�(dǎo)致襯墊接觸失�,并可能�(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�(shè)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(jié)�(gòu)彎曲

  壓縮性也是轉(zhuǎn)動接合處的一個重要特�,如在門或插板等位置若襯墊易于壓�,那么屏蔽性能會隨著門的每次轉(zhuǎn)動而下�,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(dǎo)電層的塑料制�,則添加一個EMI襯墊不會�(chǎn)生太多問�,但是設(shè)計人員必須考慮很多襯墊在導(dǎo)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�,并給后面的制造商帶來麻煩

  如果屏蔽罩或墊片�(jié)�(gòu)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(dǎo)電膜和卷帶即可若在接合墊片的兩邊都使用卷�,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(jié)�(PSA)的“C型”襯墊襯墊安裝在墊片的一�,以完成對EMI的屏�

  襯墊及附�

  目前可用的屏蔽和襯墊�(chǎn)品非常多,包括鈹-銅接頭、金屬網(wǎng)�(帶彈性內(nèi)芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線、導(dǎo)電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等大多�(shù)屏蔽材料制造商都可提供各種襯墊能達到的SE估計�,但要記住SE是個相對數(shù)�,還取決于孔�、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�(yīng)�,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�,如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置�

  各類襯墊�,涂層泡沫襯墊是也是市面上用途最廣的�(chǎn)品之一這類襯墊可做成多種形狀,厚度大�0.5mm,也可減少厚度以滿足UL燃燒及環(huán)境密封標(biāo)�(zhǔn)還有另一種新型襯墊即�(huán)�/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(fù)雜程度這些襯墊的外部覆層對紫外線穩(wěn)�,可防潮、防�(fēng)、防清洗溶劑,內(nèi)部涂層則進行金屬化處理并具有較高�(dǎo)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�,它的重量較�,裝配時間短,而且成本更低,因此更具市場吸引力

  �(jié)�

  �(shè)備一般都需要進行屏蔽,這是因為�(jié)�(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�,但是理論與�(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�,如同在一個設(shè)備中使用了多個處理器時的情形表面處理及墊片設(shè)計是保持長期屏蔽以實�(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因��

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