EMC 电磁兼容性 结构设计基础 1 EMC 电磁兼容性 概述 1 1电子系统的电磁兼容性 EMC 电磁兼容性 技术的早期仅仅考虑对无线电通信 广播有影响的射频干扰 随着干扰源范围的扩大及电磁能量应用形式的增多 电磁骚扰不在局限于辐射 还要考虑感应 耦合和传导等引起的电磁干扰 电磁干扰除影响电子系统和设备的正常工作外 对人体健康也会造成有害的影响 电磁兼容性定义 电磁兼容性研究中经常涉及以下术语a 电磁骚扰与电磁干扰 电磁骚扰是指任何可能引起器件 设备或系统性能降低的电磁现象 电磁骚扰可能是电磁噪声 无用信号或传播媒介本身的变化 电磁干扰强调的是电磁骚扰现象所造成的后果 平时人们不予严格区分 统称为电磁干扰 EMI b 抗干扰度与电磁敏感度 抗干扰度是指存在电磁骚扰的情况下 器件 设备或系统性能不降低条件下的正常运转能力 敏感度衡量的是电子设备或分系统对电磁环境所呈现的不希望有响应程度 敏感度阈值越小 抗扰度越差 多用电磁敏感度表示 EMS C 电磁兼容性 器件 设备或系统在所处电磁环境中良好运行 并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力 EMC涵盖了EMI EMS两方面 为实现系统内设备互不干扰 兼容运行 既要控制骚扰源的电磁发射 又要提高受骚扰对象的抗扰度 1 2电磁干扰三要素 任何一对复杂系统或装置之间的电磁骚扰和响应过程 均可简化为用辐射发射和传导发射来描述骚扰源 用辐射抗扰度和传导抗扰度来描述感受器 是否造成危害 还受耦合途径的制约 1 骚扰源骚扰源可分为自然骚扰源和人为骚扰源a 自然骚扰源包括地球上各处的雷雨 闪电产生的天电噪声 太阳黑子爆炸和活动产生的噪声以及银河系的宇宙噪声 b 人为骚扰是由机电或其他人工装置产生的电磁骚扰 骚扰源包括 各种无线电发射装置 各种射频设备 高压设备 家用电器等等 随着科技的进步人为骚扰源会越来越多 c 静电当两种介电常数不同的绝缘材料直接接触 特别是相互摩擦时 两者间会发生电荷的转移而各自带有不同的电荷 这种现象称为静电充电 人体同样也会发生静电充电 气候愈干燥 感应的电荷量愈大 一般人体的充电电压可达20KV 当带有静电高压的人员触及电子设备时 就会发生放电现象 放电火花产生的电磁干扰会使电子系统失灵或发生故障 消除静电危害宜采取以下措施 采用导电纤维编织的地毯或抗静电地板 操作人员穿着防静电工作服和工作鞋 并戴上接地的导电手镯 把空气的相对湿度增加到60 70 借助加大潮气的含量来增加绝缘材料的导电率 防止静电积累 将系统或设备内所有的金属构件用导电条连接起来 消除系统中任何两个金属物体之间由静电感应而引起的电位差 2 电磁骚扰的传播 a 传导干扰沿电源线或信号线传输的电磁骚扰称为传导干扰 电子系统内各单元电路之间存在各种连线 如电源线 信号互连线及公共地线等 就有可能使一个设备的电磁能量沿着这类导线传输到毗连设备和单元电路 造成干扰 b 辐射干扰辐射干扰是指通过空间传导的电磁骚扰 骚扰源的电路 输入输出信号电路和控制电路的导线在一定条件下都可构成辐射天线 当骚扰源的外壳流过高频电流时 外壳本身也就成为辐射天线 3 电子设备电磁兼容性设计的基本要求 a 优化信号设计传输信息的电信号需要占用一定的频谱 为尽量减小干扰 对有用信号应规定必要的最小占用带宽 这有赖于优化信号波形 b 完善线路设计应设计和选用自身发射小 抗干扰能力强的电子线路作为电子设备的单元电路 C 屏蔽用屏蔽体将干扰源包封起来 可以防止干扰电磁场通过空间向外传播 反之 用屏蔽体将感受器包封 就可以使感受器免受外界空间电磁场的影响 屏蔽技术虽然能有效地阻断电磁干扰的传播通道 但是它又可能使设备的通风散热困难 维修不便 并导致重量 体积和成本的增加 所以应采用合理的措施 以最佳的效 费比来满足电磁兼容性的要求 d 接地与搭接不管是否与大地有实际连接 只要为电源和信号电流提供了回路和基准电位 就通称为接地 电子设备接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施之一 设计中如能周密设计地线系统 综合使用接地 滤波和屏蔽等措施 往往可事半功倍 有效地提高设备的电磁兼容性 e 滤波滤波是借助抑制元件将有用信号频谱以外不希望通过的能量加以抑制 它既可以抑制干扰源的发射 又可以抑制干扰源频谱分量对敏感设备 电路或元件的影响 滤波虽能十分有效地抑制传导干扰 但制造大容量 宽频带的抗电磁干扰滤波器的代价非常昂贵 f 合理布局合理布局包括系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等 其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离 输入与输出端口妥善分隔 高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设 通过合理布局能使相互干扰减小到最小程度而又费用不多 2 EMC 电磁兼容性 的屏蔽设计 概述 用导电或导磁材料制成的用以抑制电场 磁场及电磁场干扰的盒 壳 板和栅 网 管等称为屏蔽 屏蔽有两个目的 一是限制内部的辐射电磁能量泄露 二是防止外来的辐射干扰进入某一区域 根据其抑制功能的不同 屏蔽可分为 电屏蔽 对静电场或交变电场的屏蔽磁屏蔽 对恒磁场或交变磁场的屏蔽电磁屏蔽 对电磁场的屏蔽 2 1电场屏蔽a 原理 电场的屏蔽是在干扰源和敏感单元之间设置良好接地的金属屏障 就可以抑制干扰源电场对敏感单元的影响 b 电屏蔽的设计要点1 屏蔽体必须良好接地 接地电阻一般应小于2m 严格的场合应小于0 5m 为减小接地电阻 可选用横截面和周长较大的导线 为减小接地线的感抗 要尽量减少导线的长度 2 正确选择接地点 屏蔽体的接地点应靠近被屏蔽的低电平元件的入地点 避免低电平电路的地线流过较大的地电流 3 合理设计屏蔽体的形状 用全封闭的盒体最好 4 选择导电性能好的导体做屏蔽体 如铜 铝等 高频时 屏蔽体表面镀银 c 电场屏蔽的结构1 单层盖结构 屏蔽体用单层盖的屏蔽盒 为减少盒体与盒盖的接触电阻应尽量增加盒体与盒盖间的接触面积 2 双层盖结构 采用双层屏蔽盖结构可以进一步提高屏蔽的效能 此时盒体的内表面与内屏蔽盖构成一个屏蔽盒 而盒体的外表面与外层屏蔽盖又构成了另一个屏蔽盒 因此 可以大大提高屏蔽效果 3 屏蔽盒的共盖和分盖结构 在有隔板的屏蔽盒体内采用分开的屏蔽盖 可以减少其间的寄生耦合电容 分开的屏蔽盖结构的屏蔽效果优于一个屏蔽盖的结构 为提高共盖结构的屏蔽效果 应尽量减小盖子与隔板之间电连接的缝隙 4 印制导线屏蔽 单面印制电路板 在信号线之间设置接地的印制线可起屏蔽作用 双面印制电路板 除在信号线之间设置接地线之外 其背面的铜箔也接地 2 2磁场屏蔽 磁场的频率不同 采取的磁屏蔽原理也不同 a 低频磁场的屏蔽1 原理 恒磁场或低频交变磁场 f 100Hz 的屏蔽方法是选用高磁导率的铁磁材料进行磁分路 由于铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率大的多 所以铁磁性材料的磁阻很小 将铁磁性材料置于磁场中时 磁通主要通过铁磁性材料 而通过空气的磁通将大为减小 从而起到磁场屏蔽的作用 2 低频磁屏蔽的设计要点 选择相对磁导率高的材料做屏蔽体 被屏蔽元件和屏蔽盒之间应选择合适的间隙 被屏蔽元件与屏蔽盒之间越大 有利于提高屏蔽效果 但是 间隙过大 将是屏蔽盒变大 给结构设计带来困难 同时也增加了成本 选择足够的屏蔽盒厚度 增大壁厚有利于减小磁阻 使得磁分路效果更加明显 但壁厚的大小还应考虑成本 制造工艺 结构尺寸等因素 注意屏蔽盒的安装方向 对于横截面为矩形的屏蔽盒 安装时应使其长边平行于磁感线方向 3 低频磁场屏蔽的结构设计 减小屏蔽盒接缝的磁阻 屏蔽盒多为钣金制作 盒体的接缝处存在一定的间隙 盒与盖之间也有间隙 这些都会增大磁阻 为了减小屏蔽盒 盖 接缝处的磁阻 对较薄的板材 0 8MM 可以采用翻边卷口连接 对较厚的板材 0 8 2 5MM 可以采用搭接点焊 铆接和用导磁材料蜜焊 其搭接高度不小于8MM 为增大盒体与盒盖的套入深度 一般不大于10MM 并用螺钉连接以减小接缝磁阻 屏蔽盒接缝位置应平行于磁场 当磁场垂直于屏蔽盒的接缝时 接缝切断磁感线 磁通流经接缝处会遇到较大的磁阻 若磁场平行于接缝 则磁阻较小 要做到此 首先在结构设计时就要安排好接缝的位置 二是要在安装时注意接缝的位置不要影响磁路 正确布置屏蔽盒上的通风孔和接线孔 屏蔽盒上开通风孔 接线孔时 应注意其尺寸大小和方向布局 要求尽量少地削弱导磁截面积 不增加导磁回路的长度 即尽量减小屏蔽体的磁阻 双层磁屏蔽 要得到高的屏蔽效果 往往采用高磁导率材料和增加材料厚度的办法 但是 选用高磁导率材料和增加材料厚度都是有限度的 此时 可以采用双层磁屏蔽结构 b 高频磁场的屏蔽1 原理 高频交变磁场指的是高频电磁场中的磁场分量 利用电磁感应现象在屏蔽体表面产生的涡流的反磁场来达到高频磁场屏蔽的目的 也就是利用涡流反磁场对原干扰磁场的排斥作用 来抑制或抵消屏蔽体外的磁场 2 高频磁屏蔽的结构设计要点 选择相对电导率高的材料做屏蔽体 屏蔽盒的电阻越小 产生的涡流越大 由于高频电流的集肤效应 涡流仅在屏蔽体的表面薄层流过 而屏蔽体内层被表面涡流屏蔽 所以高频磁屏蔽盒无需做的很厚 一般取0 2 0 8MM 屏蔽盒在垂直于涡流方向不应开孔或有缝隙 在垂直与涡流的方向开孔或有缝隙 将切断涡流 削弱反磁场对原干扰磁场的抵消作用 使屏蔽效果变差 若缝隙和开孔沿着涡流方向 则对屏蔽效果的影响较小 一般屏蔽盒上的缝隙和开孔尺寸不大于原磁场波长的1 50 1 100 屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果 但是接地 则此屏蔽盒同时具有电场屏蔽和磁场屏蔽的作用 2 3电磁场的屏蔽a 电磁场的屏蔽原理利用导电良好的屏蔽材料 如铝板 铝箔 铜板 铜箔或在塑料机箱上镀镍或铜 利用它们对干扰电磁波的反射 吸收和多次反射作用 衰减干扰电磁场的能量 达到屏蔽效果 b 设计要点 选用高导电率材料 依据电磁场的屏蔽原理合理确定尺寸和结构形式 即使屏蔽物的壁厚很小也可取得较好的屏蔽效果 故确定屏蔽物材料的厚度时 主要考虑其工艺性和结构强度 c 电磁场的屏蔽结构电磁屏蔽是对电磁波的屏蔽 其对屏蔽材料的性能要求与静电屏蔽相同 都是高导电体 但是静电屏蔽的重点要求屏蔽体必须接地 而影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体是否接地 而是屏蔽体导电的连续性 电磁屏蔽对屏蔽体的导电性能要求比静电屏蔽高的多 屏蔽结构可分为 屏蔽格结构 独立屏蔽盒结构 双层屏蔽结构 1 缝隙结构 屏蔽盒的接缝是电磁波的泄露源 解决的方法是在缝隙处使用电磁密封衬垫 电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料 它能够保持缝隙处的导电的连续性 电磁密封衬垫可以是导电的金属网 银粉导电橡胶等 现在又出现了一些新的导电材料 如导电胶 导电腻子 导电润滑脂等 2 孔洞结构机箱上散热孔 观察孔和穿过机箱的电缆也是造成机箱屏蔽效能下降的主要原因 机箱上开口引起的电磁泄露与开口的尺寸 辐射源的特性和辐射源到开口的距离有关 通过适当地设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够满足屏蔽的要求 在孔面积相同时 长方形孔泄露最大而圆形孔泄露最小 因此要少开长方形孔洞 实践证明 当孔隙 缝隙的最大线形尺寸等于干扰源半波长的整数倍时 孔缝的电磁泄漏最大 因此一般要求孔隙 缝隙的最大线形尺寸小于 10 100 为减少感应涡流流动的电阻 所开空洞切口应顺着感应涡流流动的方向并使涡流均匀分布 安装高频线圈屏蔽盒时 应使接缝不切断涡流 孔缝泄露的大小主要取决于孔的面积 孔截面上的最大线形尺寸 电磁波频率及孔的深度 对于必须存在的大孔 应采用安装金属网等办法 减少泄露 2 4抑制电磁干扰的工程措施a 接缝的屏蔽1 永久性接缝的屏蔽 屏蔽体上的永久缝隙应用焊接工艺密封 如熔焊和钎焊 具体实施时用搭焊和对焊 用镀锌铁皮制成的屏蔽体常用翻边咬合式接缝 它可以有效地代替焊接形式的焊缝 若用电焊 焊点间距不宜超过5CM 2 非永久性接缝的屏蔽 在接缝处加入由导电橡胶 金属簧片等材料制成的既具有一定弹性 又具有良好导电特性 同时还可填充缝隙的导电衬垫 保持了两个界面间的电连续性 从而大大提高了机箱的屏蔽效果 b 导电衬垫导电衬垫是专门用于抑制机箱缝隙电磁泄露