简述电磁兼容设计的常用方法3

第三层 结构 / 屏蔽设计

产品电磁兼容设计应做到标本兼治。产品与外界的连接界面，如图4所示。包括机壳端口，电源线端口，地线端口，信号线端口和控制线端口等。需要做好结构/屏蔽设计，滤波设计和瞬态骚扰抑制设计等。

图4产品与外界的连接界面

什么是结构？结构即材料、形状、连接、布局的总和。

对单一零件来说，结构即零件的材料和形状。材料包含零件的内在结构；形状体现零件外在特征。

对两个和两个以上零件来说，还包括他们间的连接方式，“连接”即零件间的装配方法。

对整机来说，还要考虑零部件的布局。

结构设计通过设想和计算，用工程图纸或参数化电子文档表达出来，提交制造，实现产品生产。包括整机造型、布局、零部件连接、材料和标准件及通用件选择等。

电子产品结构与纯机械结构的不同之处在于还要考虑结构的电磁兼容性。

屏蔽技术用来抑制10kHz以上电磁骚扰沿空间的传播，即切断辐射骚扰的耦合途径。

一．屏蔽效能的概念

用于电磁兼容目的的屏蔽体，通常能将电磁骚扰的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一以上。为了方便起见，屏蔽体的性能以屏蔽效能SE或SH（dB）表示。定义为：SE=20lg（E1/E2）（dB）

SH=20lg（H1/H2）（dB）

式中，E1、H1分别为未屏蔽时测得的电场强度和磁场强度， E2、H2分别为屏蔽后测得的电场强度和磁场强度。

屏蔽体的总体屏蔽效能是由屏蔽体中最薄弱的环节决定的。要使屏蔽体的屏蔽效能达到某一个值，屏蔽体上所有部位都要达到这个值，即各部位屏蔽效能的匹配是十分重要的。

屏蔽体中最薄弱的环节是各种缝隙和孔洞。

实现屏蔽，首先要做好“电磁兼容分层与综合设计法”的第一和第二层，将电磁发射降至最低，将抗扰能力提至最高。然后利用壳体切断EMI辐射。

但是，用这个定义只能测试屏蔽体的屏蔽效能，而无法确定应该使用什么材料制造屏蔽体。要确定应该使用什么材料制造屏蔽体，需要知道材料的屏蔽效能与材料的什么参数有关。

1 实心材料屏蔽效能的计算

实心屏蔽把屏蔽体看成一个结构上完整、电气上连续均匀的无限大平板或全封闭壳体，上面不存在任何孔洞、缝隙等电气不连续点。实心屏蔽理论反映了屏蔽材料在“实心”条件下所能达到的“理想屏蔽效能”，仅对屏蔽材料的研发和选用起指导作用。实心材料屏蔽效能的计算如图5所示。

电磁波入射到无限大的平板型屏蔽体时，一部分能量被反射，称反射损耗，记为R1；透射波在金属板内传播时被衰减，称吸收损耗，记为A.电磁波到达屏蔽体另一侧时，又被反射记为R2，仅有小部分能量透射进入被屏蔽空间。被反射的能量又被衰减和反射，循环往复，直至能量全部被衰减和透射。这种多次反射的现象，称多次反射修正系数，记为B，量值小于1.

采用银、铜、铝、镍等良导体制作的接地屏蔽体，可对电场和高频磁场进行屏蔽;当厚度小、频率低时，钢的屏蔽效能比铜低；当厚度大、频率高时，钢的屏蔽效能比铜高；当厚度在0.67mm以上，钢的屏蔽效能比铜高。对于近场电场屏蔽，则以铜为宜。

对于f《100kHz的低频磁场，则用高导磁材料进行屏蔽，如工业纯铁，铁硅合金（硅钢，电工钢等），铁镍软磁合金，坡莫合金（79℅镍，21℅铁），非晶态软磁合金材料（具有高强度，高硬度，高延展性，耐腐蚀性），μ金属，铁氧体材料等。

图5 实心材料屏蔽效能的计算

2. 屏蔽方案的级别：级别越低，越容易实现高屏蔽效能。

单板屏蔽及单板局部屏蔽：约20dB/1GHz

模块屏蔽：将辐射骚扰大或抗骚扰能力差的模块，单独安装在屏蔽盒中。不但容易实现，成本低，而且可以减弱模块之间的相互骚扰，实现产品内部模块之间的电磁兼容。约20dB/1GHz

插箱、子架屏蔽：约20dB/1GHz

机柜屏蔽：约15dB/1GHz

图6为拼装机柜的屏蔽效能，30-230MHz：20dB；230-1000MHz：10dB

图6 拼装机柜的屏蔽效能

二．实际屏蔽体的问题

实际屏蔽体上有许多电磁泄漏源，例如：不同部分结合处的缝隙、通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等，如图7所示。

图7 实际屏蔽体上的电磁泄漏源

1 缝隙屏蔽：

当缝隙的长度接近波长的一半时，电磁波就会泄漏出去。这种类型的电磁泄漏源就是狭缝天线。缝隙尺寸接近半波长的整数倍时，电磁泄漏最大。所以，高频时特别应做好孔缝屏蔽，要求缝长或孔径小于l/100。整个接合处必须维持电气连续性，以避免狭缝天线的形成。最少要在每l/6 之处有配接表面间的电接触－紧固点直接连接（包括螺钉̖铆钉点焊̖锁扣等）。永久性接缝，采用焊接工艺。非永久性配合面形成的接缝采用导电衬垫。均可达20dB/1GHz。

屏蔽体的导电连续性，是影响屏蔽效能最主要的因素。

2 通风孔的处理

目的是处理屏蔽和散热之间的矛盾。

波导是管状金属结构，呈高通滤波器特性， 频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波则损耗很大。工作在截止区的波导管称为截止波导管，可使骚扰频率落在截止区内而被抑制。这种装置称为截止波导通风窗，如图8所示，用于对屏蔽效能要求高的机柜。

图8 截止波导通风窗

截止波导通风窗可抑制低于10GHz的骚扰，屏效达50-80dB/1GHz.但成本高，铝制波导粘贴而成，须经导电氧化，镀锡，镀镍等导电处理，价格为1000元/m2以上。钢制波导用钎焊方式制成，价格昂贵，不推荐使用。

屏蔽效能要求不高的机柜，可采用金属孔板，如图9所示。只适用于骚扰频率低于50MHz时，屏效为30-50dB/1GHz。材料为钢板或铝板。

图9 金属孔板

3 显示器：采用金属镀膜导电玻璃

金属镀膜玻璃是采用真空溅射等工艺在普通或钢化玻璃表面形成致密导电膜而制成的，具有屏蔽效能高、透光率高、无光学畸变、环境适应性强等优点。

4 电缆或导线穿越屏蔽体

滤波器连接器用于多根导线或电缆穿越屏蔽体。穿心电容、馈通滤波器用于单根导线或电缆穿越屏蔽体。

5 接续设计

屏蔽层的正确接法应采用压接端子并360度搭接，构成哑铃形结构，成为屏蔽机壳的延伸。

第四层 滤波设计

传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线等导线，以及屏蔽体、接地导体等导体进行传播。解决传导耦合的办法是在骚扰进入敏感电路之前用滤波方法从导线或导体上除去骚扰。

电磁骚扰滤波器，即EMI滤波器，是抑制传导骚扰最有效的手段。它包括信号线滤波器和电源线滤波器。信号线滤波器允许有用信号无衰减通过，同时大大衰减杂波骚扰信号。电源线滤波器又称电网滤波器，它以较小的衰减把直流、50Hz、400Hz电源功率传输到设备上，却大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受其害。同时，它又能抑制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其它设备。

EMI滤波器，通常是集总参数的、无源的低通滤波器。但EMI滤波器不同于一般低通滤波器，EMI滤波器更关心插入损耗、能量衰减、截止频率等特性。

一 影响滤波器性能的关键特性

1.影响滤波器性能的关键特性之一：阻抗特性

无源滤波器由抑制元件组成，其抑制特性不仅取决于元件参数，而且还取决于端接阻抗。如图10所示。

图10 源/负载阻抗与滤波器网络结构的选择

例如，为防止电源系统的不稳定性，滤波器的输出阻抗必须小于开关电源开环输入阻抗。滤波器的输入阻抗应与电网输出阻抗相差较大。其目的是为了尽可能使之失配，以获得尽可能大的插入损耗。

2．影响滤波器性能的关键特性之二：频率特性

EMI滤波器的抑制噪声能力的评定指标：插入损耗 IL（InserTIon Loss）。插入损耗的定义如图11所示。

图11 插入损耗的定义

共模和差模插入损耗是在50~75W间的某一阻值的系统内进行测量的，是最优化和误导，100/0.1Ω或0.1/100Ω系统才能真实地预估实际应用时的性能。

3.影响滤波器性能的关键特性之三：电源线滤波器的安装

电源线滤波器安装时，容易出现的问题包括，滤波器输入线过长、输入输出发生耦合、接地不良等。针对这些问题，电源线滤波器的正确安装应当如图12所示。

图12 电源线滤波器的正确安装