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重要的防護手段。屏蔽技術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，使屏蔽體內外的“場”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性耦合和輻射性耦合來進行傳輸。為滿足電磁兼容性要求，對傳導性耦合需采用濾波技術，即采用EMI濾波器件加以抑制；對輻射性耦合則需采用屏蔽技術加以抑制。目前的各種電子設備，尤其是軍用電子設備，通常都采用屏蔽技術解決電磁兼容中的問題。屏蔽按其機理可分為電場屏蔽，磁場屏蔽和電磁屏蔽。

2、電場屏蔽電場的屏蔽是為了抑制寄生電容耦合( 電場耦合) ,隔離靜電或電場干擾。寄生電容耦合: 由于產(chǎn)品內的各種元件和導線都具有一定電位, 高電位導線相對的低電位導線有電場存在, 也即兩導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源, 而被影響的低電位叫受感器。實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。靜電防護的方法: 建立完善的屏蔽結構, 帶有接地的金屬屏蔽殼體可將放電電流釋放到地; 內部電路如果要與金屬外殼相連時, 要用單點接地, 防止放電電流流過內部電路; 在電纜入口處增加保護器件; 在印制板入口處增加保護

3、環(huán)(環(huán)與接地端相連)。磁場屏蔽磁場屏蔽是抑制噪聲源和敏感設備之間由于磁場耦合所產(chǎn)生的干擾。 磁場屏蔽主要是依賴高導磁材料所具有的低磁阻對磁通起到分路的作用，使得屏蔽體內部的磁場大大減弱。如圖814所示圖8-14 磁場屏蔽射頻磁屏蔽是利用良導體在入射高頻磁場作用下產(chǎn)生渦流,并由渦流的反磁通抑制入射磁場。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影響電路的正常工作, 因此不需對電路做任何修改。電磁屏蔽的機理就是電磁感應現(xiàn)象。電磁屏蔽較適用于高頻。低頻時感應電流小，

4、屏蔽效果差，應保證屏蔽殼體各部分具有良好的電氣連續(xù)，使感應電流能在殼體中流暢，以便產(chǎn)生足夠大的感應電磁場來抵消外界電磁場，否則將影響屏蔽效果。電磁屏蔽是利用屏蔽體對干擾電磁波的吸收、反射來達到減弱干擾能量的作用。它采用低電阻的導體材料，并利用電磁波在屏蔽導體表面產(chǎn)生反射以及在導體內部產(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。如圖所示，對電磁波產(chǎn)生衰減的作用就是電磁屏蔽。電場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空間某個位置的場強與有屏蔽時該位置的場強的比值，它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度。 SE = 20 lg

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

6、于輻射源的性質、觀測點到源的距離、介質特性等。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，或電場波。在遠場區(qū)，波阻抗僅與電場波傳播介質有關，其數(shù)值等于介質的特性阻抗，空氣為377W。在近場區(qū)內，特定電場波的波阻抗隨距離而變化。如果是電場波，隨著距離的增加，波阻抗降低，如果是磁場波，隨著距離的增加，波阻抗升高。在遠場區(qū)，波阻抗保持不變。電磁屏蔽的設計屏蔽設計之前總體指標的分配至關重要,有30dB 與70dB 準則之說:一般而言,在同一環(huán)境中的一對設備

7、，騷擾電平與抗擾度之差小于30dB，設計階段可不必專門進行屏蔽設計;若兩者之差超過70dB，單靠屏蔽已難保證兩者兼容，即使能達到指標,設備成本將急劇增加。較為可行的辦法是總體指標或方案做出適當調整;在3060dB 之間,則是屏蔽設計的常用期望值。屏蔽要求高于上述期望值時，最常用的措施是整體屏蔽之后內部再加第二重屏蔽。由于輻射源分為近區(qū)的電場源、磁場源和遠區(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、結構形狀和對孔縫泄漏控制等方面都有所不同。在設計中要達到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明確頻率范圍，再根據(jù)各個頻段的典型泄漏結構，確定控制要素，進而選擇恰當?shù)钠帘尾牧?，設計屏蔽

8、殼體。屏蔽技術常用的屏蔽技術: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,它對電場和磁場兩者都有較好的防護,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,其間應該隔離空氣或者填充其他介質,否則達不到應有的屏蔽效果,各層屏蔽體的材料也不應該相同。除了要考慮導磁率外,還要考慮飽和電平。屏蔽室測得鋁板, 大小為1 200 mm ×1 200mm,其單層和多層的電場屏蔽效果見表。當屏蔽體需要有良好的透氣性和通風性時,可采用絲網(wǎng)屏蔽,測試絲網(wǎng)大小為600 m &

9、#215;600 m,屏蔽室測得其電磁場屏蔽效果見表8.2。由表8.1可知,對比鋁板的單層屏蔽和多層屏蔽效果,從中頻到高頻對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。屏蔽室測得鋁板的電磁場屏效 屏蔽室測得金屬絲網(wǎng)的電磁場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在設備上包覆一層導電薄膜,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。在不便構造屏蔽體的情況下,既可采用金屬箔粘貼方式進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

10、時也可防止射頻輻射。屏蔽材料電磁波在穿過屏蔽體時發(fā)生衰減是因為能量有了損耗，這種損耗可以分為兩部分：反射損耗和吸收損耗。用于電場屏蔽的屏蔽效能可由下式表示:SE=R+A+B 當電磁波入射到不同媒質的分界面時，就會發(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。當電磁波穿過一層屏蔽體時要經(jīng)過兩個界面，因此要發(fā)生兩次反射。因此，電磁波穿過屏蔽體時的反射損耗等于兩個界面上的反射損耗的總和。對于電場波而言：第一個界面的反射損耗較大，第二個界面的反射損耗較小。對于磁場波而言，情況正好相反，第一個界面的反射損耗較小，第二個界面的反射損耗較大。入射波場強距離吸收損耗AR1R

11、2SER1R2ABBR1R2實際屏蔽效能的計算3. 屏蔽結構屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于構成屏蔽體的材料，而且取決于屏蔽體的結構。電屏蔽體的形狀最好設計為盒形或是全封閉的, 然而現(xiàn)實中一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何價值的，機箱或殼體上常開有很多顯示窗、通風口、不同部分結合的縫隙等（如圖817所示）?？梢愿鶕?jù)需要可適當?shù)剡M行結構設計,來進一步減小分布電容。縫隙孔洞電場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,主要結構有單層門蓋結構和雙層門蓋結構。磁場屏蔽是利用高導磁材料構成低磁阻通路,使屏蔽體對磁通進行分流,主要選擇鐵或其他高導磁率材料防止磁飽和。被屏蔽物與屏蔽體內壁應留有一定

12、間隙,防止磁短路現(xiàn)象發(fā)生;可增加屏蔽體厚度,為了防止電場感應,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、柱狀的結構。電磁場屏蔽是利用屏蔽體對電磁波的吸收、反射來阻止電磁能量在空間傳播,達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,這一特點無疑是印制板的優(yōu)點。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干擾等,如同其他干擾一樣,在排板設計中必須引起重視。（1）

13、避免印制導線之間的寄生藕合。兩條相距很近的平行導線,當信號從一條線中通過時,另一條線內也會產(chǎn)生感應信號。感應信號的大小與原始信號的頻率及功率有關,感應信號便是分布參數(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)別強弱信號線使弱信號線盡量短,并避免與其他信號線平行靠近。不同回路的信號線,要盡量避免相互平行布設,雙面板兩面的印制導線走向要相互垂直,盡量避免平行布設。（2）印制導線屏蔽。有時,某種信號線密集地平行,且無法擺脫較強信號的干擾。在這種情況下可以采用如圖8-18所示的印制導線屏蔽的方法,將弱信號屏蔽起來,其效果與屏蔽電纜相似,使之所受的干擾得到抑制。印制導線的屏蔽（3）減小磁性元件對印制導線的干擾。要排除這類干擾,一般應該注意分析磁性元件的磁場方向,減少印制導線對磁力線的切割。8.2.5 屏蔽的設計原則（1）設計之前必須確定電磁環(huán)境,包括電磁場的類型,場的強度、頻率以及屏蔽體至源的距離等。（2）當需要綜合考慮低頻磁場和高頻磁場的屏蔽時,可以在屏蔽體上再鍍上一層其他材料,如銀或銅。為了有效地進行磁屏蔽,必須使用如坡莫合金之類對低磁通密度有高導磁系數(shù)的材料。同時要有一定的厚度,對有一端進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:應使屏蔽體的接