PCB电磁屏蔽详解

PCB电磁屏蔽详解电磁兼容中的屏蔽技术屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减少电磁能传输的一种重要的防护手段。屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断辐射电磁噪声的传播途径，通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。屏蔽作为电磁兼容控制的重要手段，可以有效的抑制电磁干扰。电磁干扰能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。目前的各种电子设备，尤其是军用电子设备，通常都采用屏蔽技术解决电磁兼容中的问题。屏蔽按其机理可分为电场屏蔽，磁场屏蔽和电磁屏蔽。电场屏蔽电场的屏蔽是为了抑制寄生电容耦合(电场耦合),隔离静电或电场干扰。寄生电容耦合:由于产品内的各种元件和导线都具有一定电位,高电位导线相对的低电位导线有电场存在,也即两导线之间形成了寄生电容耦合。通常把造成影响的高电位叫感应源,而被影响的低电位叫受感器。实际上凡是能幅射电磁能量并影响其它电路工作的都称为感应源(或干扰源),而受到外界电磁干扰的电路都称为受感器。静电防护的方法:建立完善的屏蔽结构,带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地;内部电路如果要与金属外壳相连时,要用单点接地,防止放电电流流过内部电路;在电缆入口处增加保护器件;在印制板入口处增加保护环(环与接地端相连)。磁场屏蔽磁场屏蔽是抑制噪声源和敏感设备之间由于磁场耦合所产生的干扰。磁场屏蔽主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻对磁通起到分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。如图8－14所示图8-14磁场屏蔽射频磁屏蔽是利用良导体在入射高频磁场作用下产生涡流,并由涡流的反磁通抑制入射磁场。常用屏蔽材料有铝、铜及铜镀银等。电磁屏蔽电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一,大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作,因此不需对电路做任何修改。电磁屏蔽的机理就是电磁感应现象。电磁屏蔽较适用于高频。低频时感应电流小，屏蔽效果差，应保证屏蔽壳体各部分具有良好的电气连续，使感应电流能在壳体中流畅，以便产生足够大的感应电磁场来抵消外界电磁场，否则将影响屏蔽效果。电磁屏蔽是利用屏蔽体对干扰电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量的作用。它采用低电阻的导体材料，并利用电磁波在屏蔽导体表面产生反射以及在导体内部产生吸收和多次反射而起到屏蔽作用，其目的是为了有效地阻止电磁波从一例空间向另一例空间传扬。如图所示，对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽。电场屏蔽的原理屏蔽效能屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量。屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强与有屏蔽时该位置的场强的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。SE=20lg(E1/E2)dB如果屏蔽效能计算中使用的磁场，则称为磁场屏蔽效能，如果计算中用的是电场，则称为电场屏蔽效能。波阻抗在电磁兼容分析中，经常用到波阻抗这个物理量。电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为波阻抗，定义如下：ZW=E/H根据观测点到辐射源的距离不同，可划分出近场区和远场区两个区域，当距离小于/时，称为近场区，大于/时称为远场区。近场区和远场区的分界面随频率的不同而不同，不是一个定数，这在分析问题时要注意。例如，在考虑机箱的屏蔽时，机箱相对与线路板上的高速时钟信号而言，可能处于远场区，而对于开关电源较低的工作频率而言，可能处于近场区。近场区中，波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等。若辐射源为大电流、低电压（辐射源电路的阻抗较低），则产生的电磁波的波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波。若辐射源为高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高），则波阻抗大于377，称为高阻抗波，或电场波。在远场区，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377。在近场区内，特定电场波的波阻抗随距离而变化。如果是电场波，随着距离的增加，波阻抗降低，如果是磁场波，随着距离的增加，波阻抗升高。在远场区，波阻抗保持不变。电磁屏蔽的设计屏蔽设计之前总体指标的分配至关重要,有30dB与70dB准则之说:一般而言,在同一环境中的一对设备，骚扰电平与抗扰度之差小于30dB，设计阶段可不必专门进行屏蔽设计;若两者之差超过70dB，单靠屏蔽已难保证两者兼容，即使能达到指标,设备成本将急剧增加。较为可行的办法是总体指标或方案做出适当调整;在30－60dB之间,则是屏蔽设计的常用期望值。屏蔽要求高于上述期望值时，最常用的措施是整体屏蔽之后内部再加第二重屏蔽。由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。屏蔽技术常用的屏蔽技术:多层屏蔽、薄膜屏蔽。单层与多层屏蔽分析为了得到更好的屏蔽效果可以采用多层屏蔽,它对电场和磁场两者都有较好的防护,特别适合于以反射损耗为主的屏蔽体。隔开的材料可形成多次反射,比同样厚度的金属板能产生更好的屏蔽效果。多层屏蔽的原则是:各屏蔽层之间不能连接在一起,其间应该隔离空气或者填充其他介质,否则达不到应有的屏蔽效果,各层屏蔽体的材料也不应该相同。除了要考虑导磁率外,还要考虑饱和电平。屏蔽室测得铝板,大小为1200mm×1200mm,其单层和多层的电场屏蔽效果见表。当屏蔽体需要有良好的透气性和通风性时,可采用丝网屏蔽,测试丝网大小为600m×600m,屏蔽室测得其电磁场屏蔽效果见表8.2。由表8.1可知,对比铝板的单层屏蔽和多层屏蔽效果,从中频到高频对于铝板而言更适用于单层屏蔽。由表可知,就单层屏蔽而言,金属丝网在中频和高频屏蔽效果比较明显,对于多层屏蔽金属丝网更适用于中频的多层屏蔽,且有很好的屏蔽效果。屏蔽室测得铝板的电磁场屏效屏蔽室测得金属丝网的电磁场屏效薄膜屏蔽薄膜屏蔽通常用喷涂、真空沉积以及粘贴等技术在设备上包覆一层导电薄膜,它的屏蔽效能主要是由反射损耗和多次反射修正因子（下文中介绍）确定。在不便构造屏蔽体的情况下,既可采用金属箔粘贴方式进行屏蔽又可以采用喷涂方式在基体上覆盖一层薄金属涂层以起吸波、屏蔽作用同时也可防止射频辐射。屏蔽材料电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗，这种损耗可以分为两部分：反射损耗和吸收损耗。用于电场屏蔽的屏蔽效能可由下式表示:SE=R+A+B当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗。当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，因此要发生两次反射。因此，电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗的总和。对于电场波而言：第一个界面的反射损耗较大，第二个界面的反射损耗较小。对于磁场波而言，情况正好相反，第一个界面的反射损耗较小，第二个界面的反射损耗较大。实际屏蔽效能的计算3.屏蔽结构屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料，而且取决于屏蔽体的结构。电屏蔽体的形状最好设计为盒形或是全封闭的,然而现实中一个完全封闭的屏蔽体是没有任何价值的，机箱或壳体上常开有很多显示窗、通风口、不同部分结合的缝隙等（如图8－17所示）。可以根据需要可适当地进行结构设计,来进一步减小分布电容。入射波场强距离吸收损耗R1R2SE＝R1＋R2＋A＋BBR1R2缝隙孔洞电场屏蔽的屏蔽体必须接地,最好直接接地,孔洞泄漏越小屏蔽效果越好,主要结构有单层门盖结构和双层门盖结构。磁场屏蔽是利用高导磁材料构成低磁阻通路,使屏蔽体对磁通进行分流,主要选择铁或其他高导磁率材料防止磁饱和。被屏蔽物与屏蔽体内壁应留有一定间隙,防止磁短路现象发生;可增加屏蔽体厚度,为了防止电场感应,一般还要接地。如果屏蔽体不完整,涡流的效果降低,即屏蔽的效果大打折扣,可采用盒状、筒状、柱状的结构。电磁场屏蔽是利用屏蔽体对电磁波的吸收、反射来阻止电磁能量在空间传播,达到减弱干扰能量的效果。因此,电磁屏蔽可采用板状、盒状、筒状、柱状的屏蔽体。由于这些导致电不连续的因素存在，屏蔽体的屏蔽效能往往很低，甚至没有屏蔽效能;因此对屏蔽体缝隙、孔洞的研究也是十分必要的。印制板使元器件安装紧凑、连线密集,这一特点无疑是印制板的优点。然而,印制板分布参数造成的干扰、元器件相互之间的磁场干扰等,如同其他干扰一样,在排板设计中必须引起重视。（1）避免印制导线之间的寄生藕合。两条相距很近的平行导线,当信号从一条线中通过时,另一条线内也会产生感应信号。感应信号的大小与原始信号的频率及功率有关,感应信号便是分布参数产生的干扰源。为了抑制这种干扰,排板前要分析原理图,区别强弱信号线使弱信号线尽量短,并避免与其他信号线平行靠近。不同回路的信号线,要尽量避免相互平行布设,双面板两面的印制导线走向要相互垂直,尽量避免平行布设。（2）印制导线屏蔽。有时,某种信号线密集地平行,且无法摆脱较强信号的干扰。在这种情况下可以采用如图8-18所示的印制导线屏蔽的方法,将弱信号屏蔽起来,其效果与屏蔽电缆相似,使之所受的干扰得到抑制。印制导线的屏蔽（3）减小磁性元件对印制导线的干扰。要排除这类干扰,一般应该注意分析磁性元件的磁场方向,减少印制导线对磁力线的切割。8.2.5屏蔽的设计原则（1）设计之前必须确定电磁环境,包括电磁场的类型,场的强度、频率以及屏蔽体至源的距离等。（2）当需要综合考虑低频磁场和高频磁场的屏蔽时,可以在屏蔽体上再镀上一层其他材料,如银或铜。为了有效地进行磁屏蔽,必须使用如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度,对有一端进去从另一端出来的磁通,其磁阻必须要小。（3）为了获得更好的屏蔽效能可采用双层屏蔽或多层屏蔽。需要注意的是:应使屏蔽体的接缝与孔洞的长边平行于磁场分布的方向,圆孔的排列方向要使磁路增加量最小,目的是尽可能不要阻断磁通的通过,屏蔽体加工成型后要进行退火处理。（4）多块材料组成屏蔽体时,为了保持磁连续性可采用机械法和焊接法。在转角处或过渡处,为了获得较好的屏蔽效能可采用焊接的方法。保持接触面的连续性可使磁力线沿低磁阻通道连续,因而可提高屏蔽效能。对交变电场和磁场而言,保持磁连续性可取得较大的感应电流屏蔽。对直流电场和磁场而言,连续性可保证磁力线的完好分流。