結構方面EMC和EMI設計知識

1、ConfidentialConfidential結構方面的EMC/EMI設計簡單介紹 電磁兼容（Electromagnetic Compatibility , EMC）主要包含兩方面的內(nèi)容： 電磁干擾（Electromagnetic interference , EMI）； 電磁敏感度（Electromagnetic susceptibility , EMS）。 電磁兼容設計基本目的：A 產(chǎn)品內(nèi)部的電路互相不產(chǎn)生干擾，達到預期的功能。B 產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾強度低于特定的極限值。C 產(chǎn)品對外界的電磁干擾有一定的抵抗能力。 具體在工程措施上電磁兼容設計可分為：信號設計、線路設計、屏蔽、接地與搭接、

2、濾波、合理布局。其中與結構關系較大的有：屏蔽、接地與搭接、合理布局。但這并不代表其他措施與結構設計完全無關，結構設計亦需配合完成其他措施比如濾波。ConfidentialConfidential結構方面的EMC/EMI設計1、屏蔽電磁屏蔽的目的有兩個：一個限制內(nèi)部的輻射電磁能越出某一個區(qū)域；而是防止外來的輻射進入某一區(qū)域。即切斷電磁波的傳播途徑。電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一，絕大部分電磁兼容問題的最大好處是不會影響電路的工作。電磁屏蔽技術作為解決電磁兼容性問題的重點措施之一。屏蔽按其機理可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。需要注意的是，在實際工程中，通常將電磁場屏蔽與電場屏

3、蔽合二為一。將屏蔽體接地即可實現(xiàn)電磁場屏蔽與電場屏蔽的統(tǒng)一。1.1電場屏蔽和電磁場屏蔽設計 1.1.1 電場屏蔽電場屏蔽主要作用是防止靜電場和低頻交變電場的影響，消除兩個設備或兩個電路之間由于分布電容耦合所產(chǎn)生的影響。在結構設計中通常為兩個設備或兩個模塊之間的電場屏蔽。若屏蔽的為交流源，則頻率在10kHz以下時采用電場屏蔽，高于10kHz時屏蔽效果ConfidentialConfidential將會變差。需要注意的是在電場屏蔽中，最重要的一點是屏蔽殼體的接地質量。在電場屏蔽的設計中，主要考慮以下三個方面的問題：a、屏蔽板盡量靠近CPU等被屏蔽元件，并且屏蔽板必須可靠接地屏蔽板必須可靠接地，其作

4、用從理論上來看，屏蔽板相當于造就了分布電容，且越靠近被屏蔽元件其分布電容的容量越大，其屏蔽效果越好。b、屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯影響，理論上全封閉的金屬盒可以有最好的電場屏蔽效果。c、屏蔽板的材料以良導體（鋁、銅等）為好，屏蔽材料的厚度滿足強度要求即可。電磁場屏蔽的有效性是用屏蔽效能來度量。它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度。屏蔽體的屏蔽效能由兩部分構成：吸收損耗和反射損耗。為了提高屏蔽材料的屏蔽效能，必須想辦法提高吸收損耗和反射損耗。當電磁波入射到不同媒體的分界面時，就會發(fā)生反射，于是減小了繼續(xù)傳播電磁波的強度，于是構成反射損耗。當電磁波在屏蔽材料中傳播時，同樣會產(chǎn)生損耗，于是構成吸

5、收損耗。吸收損耗的計算公式：結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidentialA=20 1g(E0/E1)=20 lg(e（t/）) dB式中趨膚深度=0.066/(f r r)0.5mm，f 單位為MHz。實際工程案例：如果需要對一個機箱做電場屏蔽和電磁場屏蔽，需要做哪些措施？1、屏蔽體的材料選擇。銅雖然導電性好，但是密度較大，不適合做屏蔽機箱。鋁具有很高的比強度，同時導電性能也非常好，通過用來做屏蔽機箱。如果對屏蔽效能要求不高，亦可采用其他材料比如鍍鋅鋼板。2、良好接地。通常是通過接地柱接到大地的方式。接地柱示意圖1-1如下,需要注意的是，此接地柱僅為電場屏蔽接地

6、用。如果有信號地及其他地需要連接，殼體內(nèi)部亦應該采用焊片良好接地。焊片材料一般為黃銅H-62。另外，殼體與焊片之間保持良好導電連接，嚴禁做任何非導電涂覆。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential殼體接地柱焊片此端螺母鎖緊1-1結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential1.2 屏蔽體的縫隙和開孔處理。典型值：/20。為頻段中最高頻率電磁波波長?？p隙的長度和開孔的直徑應小于/20，最好小于/100。通風孔直徑采用小圓孔，典型值3。3孔陣的打孔金屬板在1GHz時，屏蔽效能在20dB左右?？p隙處理。機箱至少是兩個零件的組合體，盒體和

7、蓋板。而盒體和蓋板之間一般情況下需要經(jīng)常拆卸，不可能用焊接完全密封。要取得良好的屏蔽效能，必須使盒體和蓋板間的接觸電阻減至最小。開孔處理機箱內(nèi)設備功率較大時，通常需要布置通風孔，進行通風散熱。通常做法為：a、在不影響散熱的情況下，通風孔應盡量小（典型值3）。b、通風孔位置應盡量遠離干擾源。4、顯示窗和屏的處理。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential。隔離艙濾波器屏蔽窗濾波器結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential按鍵的處理，示意圖如下：屏蔽體上開小孔屏蔽體上栽上截止波導管用隔離艙將操作器件隔離出結構方面的EMC/EMI設

8、計ConfidentialConfidential1.1.2 磁場屏蔽設計磁場屏蔽通常指低頻磁場（DC100KHZ）。主要依賴高磁導率材料所具有的低磁阻，對磁通起著分路的作用，使屏蔽體內(nèi)部的磁場大大減弱。磁場屏蔽效能在理論上為：SE = ( Rs + R0 )/Rs式中 Rs ：屏蔽體的磁阻；R0 :空氣磁阻磁阻 Rs = S / ( A ) 式中 S ：磁路長度；A :此路截面積對上述計算公式進行分析，提高屏蔽效能的主要措施有：a、高磁導率的材料；b、增加屏蔽體壁厚，即增加磁路的截面積；屏蔽盒一般由板料用鈑金工藝加工或冷沖成型，結構上難免含有接縫或通風、觀察孔等。接縫和孔洞的存在都會引起屏蔽

9、體磁阻的增加，降低屏蔽效能。工程上常用措施如下：a、屏蔽對象的選擇。由于整體做低頻磁屏蔽比較困難，所以一般選擇對低頻磁場干擾源進行屏蔽。比如開關電源、電感線圈等。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidentialb、屏蔽材料的選擇。鍍鋅鋼板性價比較高，鈹鏌合金性能最好。在強磁場中需選用磁飽和性能較高的材料，如硅鋼。c、屏蔽體的接縫要與磁通流經(jīng)方向盡可能平行，降低磁阻。下圖為鐵芯電源變壓器的屏蔽盒示意圖1-2d、屏蔽盒上的通風孔應順磁通方向。如下示意圖1-3e、接縫的連接工藝及結構對屏蔽效能影響也較大。一般接縫處蓋板和盒體之間的重疊部分為9mm，點焊間距為12mm時，接

10、縫對磁屏蔽效能的影響可以不予考慮。螺釘連接時，也應該有盡可能多的重疊和盡可能小的螺釘間距。示意圖如下1-4需要特別注意的一點是，鐵磁性材料一般對機械應力較為敏感，因為機械應力的存在將使磁性材料的磁導率大大下降。磁屏蔽體必須在機械加工全部完成之后進行退火處理。當屏蔽效能要求較高時，可以采用雙層屏蔽結構。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential接 合 面變 壓 器盒 體蓋 板接 縫 切 斷 漏 磁 通 ， 泄 露 增 加 。變 壓 器盒 體接 縫 順 著 漏 磁 通 ， 泄 露 減 到 最 小 。接 合 面1-2結構方面的EMC/EMI設計Confidentia

11、lConfidentialH0H0切斷磁通，很差順磁通，較好變 壓 器盒 體蓋 板增 加 接 縫 長 度接 合 面變 壓 器盒 體蓋 板接 合 面( 1 )( 2 )1-31-4結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential2.接地與搭接2.1 接地在電子設備中，接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段之一。在設計中如果能把接地和屏蔽正確地配合使用，對實現(xiàn)電子設備的電磁兼容性將起著事半功倍的作用。機殼的接地，通過接地柱連接大地。電路板的接地，電路板螺釘連接處即是電路板的大地連接點。低頻電路一般采用單點接地方式。射頻、中頻放大部分采用多點接地。信號地與電源地要分開。電

12、纜屏蔽層的接地。以同軸電纜為例，在傳輸高頻信號（大于100kHz）時，屏蔽層應采用兩點或多點接地；傳輸?shù)皖l信號時，屏蔽層應單點接地。實際經(jīng)驗表明，在100kHz以下，電纜屏蔽層單點接地具有最佳的磁場抑制作用。另外，電纜屏蔽層不要在屏蔽盒體內(nèi)部接地，否則容易在屏蔽盒體造成干擾，從而使屏蔽盒體的屏蔽效能降低。2.2 搭接搭接是將設備、組件、元件的金屬外殼或構架用機械手段連接在一起，形成一個電氣上連續(xù)的整體。這樣可避免在不同金屬外殼或構架之間出現(xiàn)電位差，而。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential這電位差往往是電磁干擾的誘發(fā)原因之一搭接類型分為直接搭接和間接搭接。

13、直接搭接可以利用螺栓等固定裝置將一些經(jīng)機加工的表面或帶有導電襯墊的表面進行固定，也可利用鉚接、熔焊、釬焊等工藝將搭接對象連接。間接搭接是借助中間過渡導體（搭接條或片）把兩金屬構件在電氣上連接在一起，性能不如直接搭接好。搭接片的固定方法有：螺栓連接、鉚釘、熔焊或釬焊。搭接條最好用導電性能好的扁平薄板料（銅或鋁）制造。為減小搭接條的阻抗，推薦長寬比不超過5：1。一般而言，隨著頻率的增高，搭接效能將下降。搭接條之間的搭接要注意防止電化學腐蝕。搭接表面應進行處理，不留非導電物質，保持良好連接。3 合理布局合理布局包括系統(tǒng)設備內(nèi)各單元之間的相對位置和電纜走線等，其基本原則是使敏感設備和干擾源盡可能遠離，

14、輸出與輸入?yún)^(qū)妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而又費用不多。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential在結構設計中，大部分設備內(nèi)的布局屬近場范圍，有意識的利用空間距離衰減，就可以降低對屏蔽設計的要求。在近場區(qū)的電磁干擾，對距離十分敏感。在工程實施上就是盡可能的將電磁干擾源遠離敏感設備，遠離通風孔。常見的濾波器安裝問題。濾波器的安裝質量對實際衰減性能影響很大，只有把濾波器正確地安裝到設備或設施上，才能獲得預期的衰減特性。其應遵循以下幾點：a、電源供電線的濾波器應安裝在設備或屏蔽殼體的電源入口處，并予以屏蔽。

15、屏蔽體應與設備殼體良好搭接。b、焊接在同一插座上的每根導線都必須進行濾波，否則會破壞濾波器濾波的有效性。c、濾波器的電源輸入線不能在屏蔽箱體內(nèi)暴露。4. 濾波技術簡單分析單純的屏蔽措施往往不能解決完整的電磁干擾防護問題，因為設備或系統(tǒng)上的電纜是典型的干擾接收和發(fā)射天線。采用濾波技術而解決這個問題最有效的方法是在電纜的端口采用濾波技術。濾波技術在設計中的重點主要在二個方面：結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidentialA 電源濾波技術分析B 信號濾波技術分析解決電磁兼容的一個關鍵問題就是來自工作電源方面的干擾信號，為此，在電源方面的處理需予以特別重視。首先在電源輸入

16、端口設置反向截止大容量的存儲電路和雙極性瞬態(tài)電壓抑制器（即TVS），其作用時增加產(chǎn)品承受來自外電瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊，從而提高抗電源沖擊和抗尖峰脈沖干擾的能力。同時在電源輸入端口設置直流濾波器，濾波器主要由無源集中參數(shù)元件（電感、電容及電阻）構成。在設計中，考慮其不僅在所需阻帶范圍內(nèi)有著良好的抑制性，而且在其通帶和過度頻帶不應產(chǎn)生明顯的阻尼震蕩。其中電感和電容主要作用于抑制電源線上傳輸?shù)碾姶鸥蓴_脈沖，以盡可能地抑制和減少電磁干擾脈沖向控制器內(nèi)部侵入。對電源濾波器的一個設計要點時要求其當大電流時，其電感不能發(fā)生飽和，為此電源濾波器中二組電感線圈必須同時繞在一個磁芯上，這二個電感在電流的方向上互

17、補，這種方式對于差模電流和電流所產(chǎn)生的磁通時互相抵消的，因此不會引起磁芯的飽和。而對共模電流則可以體現(xiàn)為相當大的電感值，從而獲得最大的濾波效果。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential為了進一步隔絕外電源電網(wǎng)對系統(tǒng)的干擾，在設計中可以選用DC/DC功率變化模塊作為產(chǎn)品的直流電源的轉換和配置，該模塊采用將外電源網(wǎng)與內(nèi)部電源進行隔離的結構，因而此電源對輸入電網(wǎng)波動具有很強適應性能，且具有相當?shù)目垢蓴_能力。為提高高頻段的濾波性能，同時也充分考慮到結構和工藝上的合理性及批產(chǎn)的可制造性，對使用穿芯電容的可以按照方式進行分析研究，選用符合技術標準的電磁兼容型接插件，在信

18、號濾波技術方面可以采取的措施主要有：a、在所有的輸入信號接口均采用單電容型濾波結構；b、在所有的輸入輸出接口與系統(tǒng)均采用光電耦合隔離措施。c、為防止輸入、輸出信號線引起的干擾信號串入主機，在所有的插口引線根部均串入具有吸收靜電脈沖能力的EMI吸收磁環(huán)。在低成本方面應用較多的就是鐵氧體磁環(huán)的使用。鐵氧體磁環(huán)又稱吸收磁環(huán)，亦可以稱之為共模扼流圈。它可以衰減較高頻同時讓較低頻幾乎無阻礙地通過。它吸收所在線路上的高頻干擾信號，但卻不會在系統(tǒng)中產(chǎn)生新的零極點，不會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它與電源濾波器配合使用，可很好的補充濾波器高頻端性能的不足，改善系統(tǒng)中濾波特性。磁環(huán)的匝數(shù)選擇。將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環(huán)

19、就構成了一個共模扼流圈，根據(jù)需要，也可以將電纜在磁環(huán)上面繞幾匝。匝數(shù)越多，對頻率較低的干結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential擾抑制效果越好，而對頻率較高的噪聲抑制作用較弱。在實際工程中，要根據(jù)干擾電流的頻率特點來調整磁環(huán)的匝數(shù)。通常當干擾信號的頻帶較寬時，可在電纜上套兩個磁環(huán)，每個磁環(huán)繞不同的匝數(shù)，這樣可以同時抑制高頻干擾和低頻干擾。從共模扼流圈作用的機理上看，其阻抗越大，對干擾抑制效果越明顯。而共模扼流圈的阻抗來自共模電感Lcm=jwLcm，從公式中不難看出，對于一定頻率的噪聲，磁環(huán)的電感越大越好。但實際情況并非如此，因為實際的磁環(huán)上還有寄生電容，它的

20、存在方式是與電感并聯(lián)。當遇到高頻干擾信號時，電容的容抗較小，將磁環(huán)的電感短路，從而使共模扼流圈失去作用。磁環(huán)材料的選擇。根據(jù)干擾信號的頻率特點可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，前者的高頻特性優(yōu)于后者。錳鋅鐵氧體的磁導率在幾千-上萬，而鎳鋅鐵氧體為幾百-上千。鐵氧體的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體；反之則用錳鋅鐵氧體?；蛟谕皇娎|上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，這樣可以抑制的干擾頻段較寬。磁環(huán)的尺寸選擇。磁環(huán)的內(nèi)外徑差值越大，縱向高度越大，其阻抗也就越大，但磁環(huán)內(nèi)徑一定要緊包電纜，避免漏磁。磁環(huán)的安裝位置。磁環(huán)的安裝位置應該盡量靠近干擾源，

21、即應緊靠電纜的進出口。結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidential5 設計要素總結5.1結構材料a、適用于底板和機殼的材料大多數(shù)是良導體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場，主要的屏蔽機理是反射信號而不是吸收。b、對磁場的屏蔽需要鐵磁材料，如高導磁率合金和鐵。主要的屏蔽機理是吸收而不是反射。 c、在強電磁環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場和磁場兩種成分，因此需要結構上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。d、對于塑料殼體，是在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在汽塑時摻入金屬纖維。必須盡量減少結構的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機殼進出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效

22、能的結構措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長度，在結合面上加入導電襯墊，在接縫處涂上導電涂料，縮短螺釘間距離等。5.2 搭接a、在底板和機殼的每一條縫和不連續(xù)處要盡可能好的搭接。最壞的電搭接對殼體的的屏蔽效能起決定性作用。（即短板效應）結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidentialb、保證接縫處金屬對金屬的良好接觸，以防電磁能的泄漏和輻射。c、在可能的情況下，接縫應焊接。在條件受限制的情況下，可用點焊、小間距的鉚接和用螺釘來固定。d、在不加導電襯墊時，螺釘間距一般應小于最高工作頻率的1，至少不大于1/20波長。e、用螺釘或鉚接進行搭接時，應首先在縫的中部搭接好，然后逐

23、漸向兩端延伸，以防金屬表面的彎曲。f、保證緊固方法有足夠的壓力，以便在有變形應力、沖擊、震動時保持表面接觸。g、在接縫不平整的地方，或在可移動的面板等處，必須使用導電襯墊或指形彈簧材料。 h、選擇高導電率的和彈性好的襯墊。選擇襯墊時要考慮結合處所使用的頻率。 i、選擇硬韌性材料做成的襯墊，以便劃破金屬上的任何表面。 j、保證同襯墊材料配合的金屬表面沒有任何非導電保護層。 k、當需要活動接觸時，使用指形壓簧，并要注意保持彈性指簧的壓力。 結構方面的EMC/EMI設計ConfidentialConfidentiall、導電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或蒙乃爾線性襯墊將出現(xiàn)最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導電橡膠是鹽霧環(huán)境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料。選擇使用什么種類電磁密封襯墊時要考慮四個因素：屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結構要求、成本要求。不同襯墊材料的特點比