PCB電磁屏蔽詳解

1、PCB電磁屏蔽詳解電磁兼容中的屏蔽技術(shù)屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減少電磁能傳輸?shù)囊环N重要的防護(hù)手段。屏蔽技術(shù)用來抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳播途徑，通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來，使屏蔽體內(nèi)外的“場(chǎng)”相互隔離。屏蔽作為電磁兼容控制的重要手段，可以有效的抑制電磁干擾。電磁干擾能量通過傳導(dǎo)性耦合和輻射性耦合來進(jìn)行傳輸。為滿足電磁兼容性要求，對(duì)傳導(dǎo)性耦合需采用濾波技術(shù)，即采用EMI濾波器件加以抑制；對(duì)輻射性耦合則需采用屏蔽技術(shù)加以抑制。目前的各種電子設(shè)備，尤其是軍用電子設(shè)備，通常都采用屏蔽技術(shù)解決電磁兼容中的問題。屏蔽按其機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽，磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。

2、電場(chǎng)屏蔽電場(chǎng)的屏蔽是為了抑制寄生電容耦合( 電場(chǎng)耦合) ,隔離靜電或電場(chǎng)干擾。寄生電容耦合: 由于產(chǎn)品內(nèi)的各種元件和導(dǎo)線都具有一定電位, 高電位導(dǎo)線相對(duì)的低電位導(dǎo)線有電場(chǎng)存在, 也即兩導(dǎo)線之間形成了寄生電容耦合。通常把造成影響的高電位叫感應(yīng)源, 而被影響的低電位叫受感器。實(shí)際上凡是能幅射電磁能量并影響其它電路工作的都稱為感應(yīng)源( 或干擾源) , 而受到外界電磁干擾的電路都稱為受感器。靜電防護(hù)的方法: 建立完善的屏蔽結(jié)構(gòu), 帶有接地的金屬屏蔽殼體可將放電電流釋放到地; 內(nèi)部電路如果要與金屬外殼相連時(shí), 要用單點(diǎn)接地, 防止放電電流流過內(nèi)部電路; 在電纜入口處增加保護(hù)器件; 在印制板入口處增加保護(hù)

3、環(huán)(環(huán)與接地端相連)。磁場(chǎng)屏蔽磁場(chǎng)屏蔽是抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于磁場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的干擾。 磁場(chǎng)屏蔽主要是依賴高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻對(duì)磁通起到分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大減弱。如圖814所示圖8-14 磁場(chǎng)屏蔽射頻磁屏蔽是利用良導(dǎo)體在入射高頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流,并由渦流的反磁通抑制入射磁場(chǎng)。常用屏蔽材料有鋁、銅及銅鍍銀等。電磁屏蔽電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一, 大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會(huì)影響電路的正常工作, 因此不需對(duì)電路做任何修改。電磁屏蔽的機(jī)理就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。電磁屏蔽較適用于高頻。低頻時(shí)感應(yīng)電流小，

4、屏蔽效果差，應(yīng)保證屏蔽殼體各部分具有良好的電氣連續(xù)，使感應(yīng)電流能在殼體中流暢，以便產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電磁場(chǎng)來抵消外界電磁場(chǎng)，否則將影響屏蔽效果。電磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)干擾電磁波的吸收、反射來達(dá)到減弱干擾能量的作用。它采用低電阻的導(dǎo)體材料，并利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面產(chǎn)生反射以及在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生吸收和多次反射而起到屏蔽作用，其目的是為了有效地阻止電磁波從一例空間向另一例空間傳揚(yáng)。如圖所示，對(duì)電磁波產(chǎn)生衰減的作用就是電磁屏蔽。電場(chǎng)屏蔽的原理屏蔽效能屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量。屏蔽效能是沒有屏蔽時(shí)空間某個(gè)位置的場(chǎng)強(qiáng)與有屏蔽時(shí)該位置的場(chǎng)強(qiáng)的比值，它表征了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。 SE = 20 lg

5、( E1/ E2 ) dB 如果屏蔽效能計(jì)算中使用的磁場(chǎng)，則稱為磁場(chǎng)屏蔽效能，如果計(jì)算中用的是電場(chǎng)，則稱為電場(chǎng)屏蔽效能。波阻抗在電磁兼容分析中，經(jīng)常用到波阻抗這個(gè)物理量。電磁波中的電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量的比值稱為波阻抗，定義如下：ZW = E / H根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離不同，可劃分出近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)兩個(gè)區(qū)域，當(dāng)距離小于l/2p時(shí)，稱為近場(chǎng)區(qū)，大于l/2p時(shí)稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界面隨頻率的不同而不同，不是一個(gè)定數(shù)，這在分析問題時(shí)要注意。例如，在考慮機(jī)箱的屏蔽時(shí)，機(jī)箱相對(duì)與線路板上的高速時(shí)鐘信號(hào)而言，可能處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，而對(duì)于開關(guān)電源較低的工作頻率而言，可能處于近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)中，波阻抗的值取決

6、于輻射源的性質(zhì)、觀測(cè)點(diǎn)到源的距離、介質(zhì)特性等。若輻射源為大電流、低電壓（輻射源電路的阻抗較低），則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗小于377，稱為低阻抗波，或磁場(chǎng)波。若輻射源為高電壓，小電流（輻射源電路的阻抗較高），則波阻抗大于377，稱為高阻抗波，或電場(chǎng)波。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，波阻抗僅與電場(chǎng)波傳播介質(zhì)有關(guān)，其數(shù)值等于介質(zhì)的特性阻抗，空氣為377W。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，特定電場(chǎng)波的波阻抗隨距離而變化。如果是電場(chǎng)波，隨著距離的增加，波阻抗降低，如果是磁場(chǎng)波，隨著距離的增加，波阻抗升高。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，波阻抗保持不變。電磁屏蔽的設(shè)計(jì)屏蔽設(shè)計(jì)之前總體指標(biāo)的分配至關(guān)重要,有30dB 與70dB 準(zhǔn)則之說:一般而言,在同一環(huán)境中的一對(duì)設(shè)備

7、，騷擾電平與抗擾度之差小于30dB，設(shè)計(jì)階段可不必專門進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì);若兩者之差超過70dB，單靠屏蔽已難保證兩者兼容，即使能達(dá)到指標(biāo),設(shè)備成本將急劇增加。較為可行的辦法是總體指標(biāo)或方案做出適當(dāng)調(diào)整;在3060dB 之間,則是屏蔽設(shè)計(jì)的常用期望值。屏蔽要求高于上述期望值時(shí)，最常用的措施是整體屏蔽之后內(nèi)部再加第二重屏蔽。由于輻射源分為近區(qū)的電場(chǎng)源、磁場(chǎng)源和遠(yuǎn)區(qū)的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據(jù)輻射源的不同，在材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀和對(duì)孔縫泄漏控制等方面都有所不同。在設(shè)計(jì)中要達(dá)到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明確頻率范圍，再根據(jù)各個(gè)頻段的典型泄漏結(jié)構(gòu)，確定控制要素，進(jìn)而選擇恰當(dāng)?shù)钠帘尾牧?，設(shè)計(jì)屏蔽

8、殼體。屏蔽技術(shù)常用的屏蔽技術(shù):多層屏蔽、薄膜屏蔽。單層與多層屏蔽分析為了得到更好的屏蔽效果可以采用多層屏蔽,它對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩者都有較好的防護(hù),特別適合于以反射損耗為主的屏蔽體。隔開的材料可形成多次反射,比同樣厚度的金屬板能產(chǎn)生更好的屏蔽效果。多層屏蔽的原則是:各屏蔽層之間不能連接在一起,其間應(yīng)該隔離空氣或者填充其他介質(zhì),否則達(dá)不到應(yīng)有的屏蔽效果,各層屏蔽體的材料也不應(yīng)該相同。除了要考慮導(dǎo)磁率外,還要考慮飽和電平。屏蔽室測(cè)得鋁板, 大小為1 200 mm 1 200mm,其單層和多層的電場(chǎng)屏蔽效果見表。當(dāng)屏蔽體需要有良好的透氣性和通風(fēng)性時(shí),可采用絲網(wǎng)屏蔽,測(cè)試絲網(wǎng)大小為600 m 600 m,屏

9、蔽室測(cè)得其電磁場(chǎng)屏蔽效果見表8.2。由表8.1可知,對(duì)比鋁板的單層屏蔽和多層屏蔽效果,從中頻到高頻對(duì)于鋁板而言更適用于單層屏蔽。由表可知,就單層屏蔽而言,金屬絲網(wǎng)在中頻和高頻屏蔽效果比較明顯,對(duì)于多層屏蔽金屬絲網(wǎng)更適用于中頻的多層屏蔽,且有很好的屏蔽效果。屏蔽室測(cè)得鋁板的電磁場(chǎng)屏效 屏蔽室測(cè)得金屬絲網(wǎng)的電磁場(chǎng)屏效薄膜屏蔽薄膜屏蔽通常用噴涂、真空沉積以及粘貼等技術(shù)在設(shè)備上包覆一層導(dǎo)電薄膜,它的屏蔽效能主要是由反射損耗和多次反射修正因子（下文中介紹）確定。在不便構(gòu)造屏蔽體的情況下,既可采用金屬箔粘貼方式進(jìn)行屏蔽又可以采用噴涂方式在基體上覆蓋一層薄金屬涂層以起吸波、屏蔽作用同時(shí)也可防止射頻輻射。屏蔽

10、材料電磁波在穿過屏蔽體時(shí)發(fā)生衰減是因?yàn)槟芰坑辛藫p耗，這種損耗可以分為兩部分：反射損耗和吸收損耗。用于電場(chǎng)屏蔽的屏蔽效能可由下式表示:SE=R+A+B 當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射，使穿過界面的電磁能量減弱。由于反射現(xiàn)象而造成的電磁能量損失稱為反射損耗。當(dāng)電磁波穿過一層屏蔽體時(shí)要經(jīng)過兩個(gè)界面，因此要發(fā)生兩次反射。因此，電磁波穿過屏蔽體時(shí)的反射損耗等于兩個(gè)界面上的反射損耗的總和。對(duì)于電場(chǎng)波而言：第一個(gè)界面的反射損耗較大，第二個(gè)界面的反射損耗較小。對(duì)于磁場(chǎng)波而言，情況正好相反，第一個(gè)界面的反射損耗較小，第二個(gè)界面的反射損耗較大。入射波場(chǎng)強(qiáng)距離吸收損耗AR1R2SER1R2ABBR1

11、R2實(shí)際屏蔽效能的計(jì)算3. 屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于構(gòu)成屏蔽體的材料，而且取決于屏蔽體的結(jié)構(gòu)。電屏蔽體的形狀最好設(shè)計(jì)為盒形或是全封閉的, 然而現(xiàn)實(shí)中一個(gè)完全封閉的屏蔽體是沒有任何價(jià)值的，機(jī)箱或殼體上常開有很多顯示窗、通風(fēng)口、不同部分結(jié)合的縫隙等（如圖817所示）?？梢愿鶕?jù)需要可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),來進(jìn)一步減小分布電容?？p隙孔洞電場(chǎng)屏蔽的屏蔽體必須接地,最好直接接地,孔洞泄漏越小屏蔽效果越好,主要結(jié)構(gòu)有單層門蓋結(jié)構(gòu)和雙層門蓋結(jié)構(gòu)。磁場(chǎng)屏蔽是利用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成低磁阻通路,使屏蔽體對(duì)磁通進(jìn)行分流,主要選擇鐵或其他高導(dǎo)磁率材料防止磁飽和。被屏蔽物與屏蔽體內(nèi)壁應(yīng)留有一定間隙,防止磁短路現(xiàn)象發(fā)生

12、;可增加屏蔽體厚度,為了防止電場(chǎng)感應(yīng),一般還要接地。如果屏蔽體不完整,渦流的效果降低,即屏蔽的效果大打折扣,可采用盒狀、筒狀、柱狀的結(jié)構(gòu)。電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體對(duì)電磁波的吸收、反射來阻止電磁能量在空間傳播,達(dá)到減弱干擾能量的效果。因此,電磁屏蔽可采用板狀、盒狀、筒狀、柱狀的屏蔽體。由于這些導(dǎo)致電不連續(xù)的因素存在，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能; 因此對(duì)屏蔽體縫隙、孔洞的研究也是十分必要的。印制板使元器件安裝緊湊、連線密集,這一特點(diǎn)無疑是印制板的優(yōu)點(diǎn)。然而,印制板分布參數(shù)造成的干擾、元器件相互之間的磁場(chǎng)干擾等,如同其他干擾一樣,在排板設(shè)計(jì)中必須引起重視。（1）避免印制導(dǎo)線之間的寄生藕

13、合。兩條相距很近的平行導(dǎo)線,當(dāng)信號(hào)從一條線中通過時(shí),另一條線內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。感應(yīng)信號(hào)的大小與原始信號(hào)的頻率及功率有關(guān),感應(yīng)信號(hào)便是分布參數(shù)產(chǎn)生的干擾源。為了抑制這種干擾,排板前要分析原理圖,區(qū)別強(qiáng)弱信號(hào)線使弱信號(hào)線盡量短,并避免與其他信號(hào)線平行靠近。不同回路的信號(hào)線,要盡量避免相互平行布設(shè),雙面板兩面的印制導(dǎo)線走向要相互垂直,盡量避免平行布設(shè)。（2）印制導(dǎo)線屏蔽。有時(shí),某種信號(hào)線密集地平行,且無法擺脫較強(qiáng)信號(hào)的干擾。在這種情況下可以采用如圖8-18所示的印制導(dǎo)線屏蔽的方法,將弱信號(hào)屏蔽起來,其效果與屏蔽電纜相似,使之所受的干擾得到抑制。印制導(dǎo)線的屏蔽（3）減小磁性元件對(duì)印制導(dǎo)線的干擾。要排除這類干擾,一般應(yīng)該注意分析磁性元件的磁場(chǎng)方向,減少印制導(dǎo)線對(duì)磁力線的切割。8.2.5 屏蔽的設(shè)計(jì)原則（1）設(shè)計(jì)之前必須確定電磁環(huán)境,包括電磁場(chǎng)的類型,場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率以及屏蔽體至源的距離等。（2）當(dāng)需要綜合考慮低頻磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)的屏蔽時(shí),可以在屏蔽體上再鍍上一層其他材料,如銀或銅。為了有效地進(jìn)行磁屏蔽,必須使用如坡莫合金之類對(duì)低磁通密度有高導(dǎo)磁系數(shù)的材料。同時(shí)要有一定的厚度,對(duì)有一端進(jìn)去從另一端出來的磁通,其磁阻必須要小。（3）為了獲得更好的屏蔽效能可采用雙層屏蔽或多層屏蔽。需要注意的是:應(yīng)使屏蔽體的接縫