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电子设备环境防护讲座梁绍文2007年2月电子设备的环境防护设计1第一章电磁兼容（EMC）设计21.1系统（整机）的电磁兼容（EMC）分析及防护措施21.2机箱屏蔽设计21.2.1基本概念21.2.2屏蔽效能31.2.3实心屏蔽体屏蔽效能的计算41.2.4实际屏蔽体的屏蔽效能51.2.5计算机系统的机箱屏蔽71.3电缆的防护91.3.1电缆的辐射/接收91.3.2屏蔽电缆的选择111.3.3屏蔽电缆的端接及滤波121.4接地131.5滤波15参考文献172.1一些基本概念182.2热量传递的基本方式及传热方程式192.2.1导热的基本方程192.2.2对流换热的基本方程202.2.3辐射换热的基本方程212.3电子设备的自然冷却222.3.1机壳的热设计222.3.2印制电路板组装件的热设计232.3.3半导体器件用散热器热计算262.4电子设备的强迫空气冷却282.4.1强迫通风的风量计算282.4.2通风管道设计及压力损失计算282.4.3风扇的分类及其特性曲线292.4.4 系统(风道)阻力特性和通风机工作点的确定292.4.5通风机的选择302.5机载计算机系统的热设计302.5.1热分析302.5.2主机机箱的热设计312.5.3液晶显示器的热设计32参考文献333.1概述343.1.1橡胶减振器343.1.2金属弹簧减振器353.2减振器设计353.2.1设计、选用减振器的原则353.2.2橡胶减振器的设计353.3设备的重心383.4隔振系统的设计计算393.4.1设计资料393.4.2隔振系统设计393.5 机载计算机系统的隔振设计453.5.1振动试验要求453.5.2振动试验环境的分析463.5.3机载计算机主机箱的隔振设计463.5.4液晶显示器的隔振防护48参考文献484.1概述494.1.1正确使用耐腐蚀材料494.1.2阳极镀层和阴极镀层494.2 金属镀层504.2.1钢铁的金属镀层504.2.2铝及铝合金镀层514.2.3功能性镀覆层524.3金属镀层和化学覆盖层适用温度范围524.4 金属接触偶的选择534.5电子机箱(柜)外表面的防护与装饰554.6防水密封机箱的结构设计564.6.1防水密封机箱的设计要求564.6.2防水密封机箱的结构设计56参考文献59电子设备的环境防护设计为了更好地介绍系统（整机）的环境防护设计，下面用一个机载计算机系统并结合一些基本概念予以阐述。如图所示，该系统由一台主机（工控机）、液晶显示器、键盘和鼠标组成，与其他设备一起构成一套组架式结构。机载计算机系统外形图系统的环境条件要求如下：(1).气候环境条件 工作温度 -25+55贮存温度 -55+70 相对湿度 10%90%(2).振动试验要求正弦振动 1023Hz 0.44mm、2352Hz 15m/s、 522000Hz 50m/s随机振动 A、标准振动环境，总均方值加速度为4.12g，持续时间为1小时。 1040Hz +6dB/oct、40500Hz 0.02g/Hz、 5002000Hz -6dB/octB、耐久振动环境，总均方值加速度为6.08g，持续时间为3小时 。 1040Hz +6dB/oct、40500Hz 0.04g/Hz、 5002000Hz -6dB/oct(3).电磁兼容测试要求按GJB151A97要求，进行如下顶目测试。 CE102 10KHz10MHz电源线传导发射； CS101 25Hz50KHz电源线传导敏感度； CS114 10KHz400MHz 电缆束注入传导敏感度； CS115 电缆束注入脉冲激励敏感度； CS116 10KHz100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度； RE102 2MHz18GHz 电场辐射发射； RS103 30MHz18GHz 电场辐射敏感度。第一章电磁兼容（EMC）设计1.1系统（整机）的电磁兼容（EMC）分析及防护措施该系统的主机采用工业挡的计算机，机壳重新设计为面板宽19高4U的组架式插箱。显示器也重新设汁为8U标准19组架插箱，屏幕为15.1TFT液晶显示器。还有键盘和鼠标，在使用时安装在控制台上。由于工业挡计算机不能满足国军标GJB151A-97的测试要求及其他使用要求，因此对整个系统都进行重新结构设计。我们曾经对一套没有进行电磁兼容加固的工控机系统进行过摸底测试，结果发现相差甚远，图1-1是对它们的RE102电场发射辐射测试的曲线。图1-1、工控机系统（主机、显示器、键盘、鼠标EMC加固前的测试曲线可以看出，工控机系统在14KHz1GHz的频段内几乎全部超出曲线的极限值，尤其在30KHz300KHz的频段的辐射发射值高达100分贝微伏。尽管工控机系统是通过了民品EMC标准的，但是它们的要求低得多，必须重新进行加固才能满足军品的要求。计算机是一套数据处理和存储系统，它的主要线路由脉冲数字电路和工作于开关状态的电路组成。由于它所处理的是脉冲信号，因而易受外界脉冲干扰的影响，同时它也向外界产生干扰脉冲。由图1-1可以看出，计算机系统的辐射频率处于很宽的频谱范围，包括长波、中波、短波、米波、分米波等很宽的波段，与电力设备、广播、电视、通信、雷达等设备的基本工作波段相同，因此它工作在一个相当复杂的工作环境。这些干扰主要来自射频干扰、工频电源干扰、静电干扰及雷电脉冲干扰等，它们都会使计算机出现运行错误或故障，甚至破坏机内某些部件，因此它是一套敏感设备；而计算机所产生的寄生辐射和传导所造成的电磁泄漏又是外部敏感设备的噪声源，其中CPU、内存、I/O接口、时钟、视频、字库、传输线、电源线等部位都有较强的电磁辐射。针对本系统的结构特点，我们把防护设计的重点放在屏蔽机箱的设计和连接电缆（包括电源线）的防护上，后面我们分别介绍。1.2机箱屏蔽设计1.2.1基本概念屏蔽设计中要用到一些基本概念：近场、远场、波阻抗、电场波、磁场波、平面波、媒介特性阻抗、屏蔽效能等。近场区：到辐射源的距离小于/2米的区域。远场区：到辐射源的距离大于/2米的区域。波阻抗：电磁波中电场分量E与磁场分量H的比值叫波阻抗Zw：Zw=E/H（）远场波阻抗：等于传播媒介的特性阻抗，真空中为377。近场波阻抗：由源的阻抗和观测点到源的距离决定，随着观测点到源的距离增加，趋近远场波阻抗（377）。磁场波阻抗： Zw=377（2r/） （）电场波阻抗： Zw=377（/2r） （）r观测点到源的距离平面波阻抗：Zw=377（）电场波：高阻抗源（高电压、小电流）产生的电磁波，其波阻抗较高，因此也叫高阻抗波。例如电子设备的电缆产生的共模辐射。磁场波：低阻抗源（低电压、大电流）产生的电磁波，其波阻抗较低，因此也叫低阻抗波。例如电子设备的电源线、变压器产生的辐射。CRT显示器受到附近大变压器产生的磁场干扰是一种十分普遍的现象。平面波：无论电场波还是磁场波，进入远场区后都称为平面波。传播媒介特征阻抗：传播媒介特征阻抗定义为： Z=式中：电磁波的角频率；媒介的磁导率；媒介的电导率；媒介的介电常数。绝缘体的场合：j，特征阻抗与频率无关 ：Z0=导体的场合：jZ0=Z0=任何导体的特征阻抗可以用下式表示：Z0=3.6810-7这里f为频率(Hz)、 r、r 分别为金属板的相对电导率和相对磁导率，见表11.2.2屏蔽效能一个屏蔽体的屏蔽效能SE由下式计算： SE=20lg（E0 /E1 ） （ 电场 ） SE=20lg（H0 /H1 ） （ 磁场 ）式中：E0（H0）是没有屏蔽时测得的电场场强（磁场场强），E1（H1）是有了屏蔽后测得的电场场强（磁场场强）。屏蔽效能的单位是分贝（dB）。1.2.3实心屏蔽体屏蔽效能的计算屏蔽效能SE=A+R+B式中 吸收损耗A：电磁波在屏蔽体内传播时的能量损耗，形成吸收损耗； 反射损耗R；当一束电磁波入射到屏蔽体上时，在屏蔽体与空气的接触面上发生反射，形成反射损R； 多次反射因子B：电磁波在屏蔽体内多次反射，产生额外的电磁泄漏B。.吸收损耗A的计算： A=20lg（E1/E0）=20lg（et/）=8.69（t/）=0.131t式中：金属材料的集肤深度，电磁波强度衰减为原来的1/e或37%时的传播距离。 t金属厚度（mm） f频率（Hz）r金属板的相对磁导率r金属板的相对电导率.由于反射损耗与电磁波的波阻抗有关，因此不同类型的电磁波其反射损耗不同。 近区电场（高阻抗场）： R=141-10lg（rf3r/r） （dB） 近区磁场（低阻抗场）： R=74.6-10lg（r/frr2） （dB） 平面波（远场）： R=108.1-10lg（rf/r） （dB）式中：r辐射源至机箱壁的距离(m) f频率(MHz).多次反射修正系数 电磁波在屏蔽体内的多次反射会导致额外的电磁波泄漏，为了在屏蔽效能计算中修正这部分额外电磁泄漏，引入多次反射修正因子B：B=20lg(1-e-2t/) (dB)A. B值为负值，其作用是削弱屏蔽效能。B. 当吸收损耗A10dB时，B可以忽略。C. 电场波的场合，大部分能量在第一个反射面发生反射，只有很少的能量进入屏蔽体，因此可以忽略多次反射因子。1.2.4实际屏蔽体的屏蔽效能除了低频磁场外，一般的金属材料提供100dB以上的屏蔽效果并不难。但实际的屏蔽体由于种种原因，要达到100dB以上屏蔽效果是非常困难的。降低屏蔽体屏蔽效能的因素有：A. 组成屏蔽体的不同部分材料之间的缝隙。B. 屏蔽体上必须开口。C. 穿过屏蔽体的导线。缝隙和孔洞对电磁场泄漏最大。孔缝的不连续结构为电磁波通过接缝耦合提供了可能，降低了屏蔽效能。电磁泄漏的程度取决于下列5个因素：A 孔洞最大的尺寸d，而不是孔的面积。B 电磁波的波长。C 孔的深度，孔的深度越大，吸收损耗越大。D 波阻抗（电场波、磁场波、平面波）。E 孔到辐射源的距离。 当波长小于两倍的最大孔缝尺寸（2d时，电磁波会毫无衰减地通过缝隙； 当波长等于两倍的最大孔缝尺寸2d时，屏蔽为零，所对应的频率称为孔洞的截止频率：fc=c/2d 其中c为电磁波传播速率（C=3108Hz） 当波长大于两倍的最大孔缝尺寸2d时，孔对波长有一定的损耗，称为孔的反射损耗： R=20lg/2d反射损耗的最大值是没有孔的实心材料的损耗值。孔到源的距离对泄漏的影响：当源到开口的距离大于开口的最大尺寸时，以上的结论都适用，但当源到开口的距离r很近时，泄漏会有所增加。这种情况非常复杂，但可以用下面近似的方法估算截止频率： fc=C/2dr/d此时反射损耗为： R=20lgfc/f=20lg(/2d)(r/d)截止波导管：当金属满足一定的边界条件时，可以传输TEM波，因此称为波导管。波导管具有高通特性，即有一个截止频率fc，当通过波导管的频率低于截止频率时，对电磁波有很大的损耗。利用这个特性，可以适当地设计波导管的截止频率，达到物理连通和衰减电磁波的双重目的。矩形波导的截止频率：fc=1.5108/d (Hz)圆形波导的截止频率：fc=1.76108/d (Hz)式中：d为矩形波导的最大尺寸，或圆形波导的直径 (米)。截止波导管的衰减：对于低于截止频率的电磁波，波导管的衰减为：A=(2/c)式中：c对应截止频率的波长。当电磁波的频率远小于波导管的截止频率(f/fc)2 1时，波导管的吸收损耗为：矩形截止波导： A=27.3(t/d)圆形截止波导： A=32(t/d)截止波导总的衰减为吸收损耗加上反射损耗：矩形截止波导： SE=27.3(t/d)+20lg(/2d)(r/d)圆形截止波导： SE=32(t/d)+20lg(/2d)(r/d)孔阵的电磁泄漏：孔阵的屏蔽效能比单个孔的屏蔽效能有所降低，降低的程度与孔间距、电磁波的波长、孔的数量等有关。当孔间距大于半波长(/2)时，降低很小，可以忽略。当孔间距小于半波长时，孔阵的反射损耗为： R=20lg(/2d)(r/d)-10lgan式中：a每一孔眼的表面积； n每平方厘米内的孔眼数。一般设计中应遵循：在标准工业产品中避免开大于/20的孔洞；工作在微波环境中的产品，其孔洞不能大于/50。通风波导板：当屏蔽机箱的通风量与屏蔽效能均要求很高时，可以使用通风波导板。通风波导板由许多截止波导构成 ，通常截止波导的截面为六角形，如图1-2所示： 图1-2 蜂窝波导结构图截止波导板的屏蔽效能为：SE=20lg(fc/f)+27.3(t/w)-10lgn实际截止波导板的屏蔽效能还决定于每个波导管之间的电接触阻抗和蜂窝板芯框架之间的搭接阻抗。缝隙泄漏：任何实用机箱上都有缝隙，这些缝隙是由于屏蔽体不同部分的临时性搭接造成的。由于缝隙的导电不连续性，在缝隙处会产生电磁泄漏，缝隙处导电性越差，电磁泄漏越大。对于永久性搭接，可以使用焊接的方法消除缝隙；如果使用铆接或螺钉连接，间距心须足够小；对于非永久性搭接，电磁密封衬垫是十分有效的措施。电磁密封衬垫是一种弹性好、高导电性的材料。其使用的主要机理是利用其弹性，将缝隙填充满，达到连续导电的目的。主要电磁密封衬垫如下表所列：材料名称平均屏蔽效能（dB）性能及屏蔽特点金属编织网衬垫75110纯金属接触，直流接触电阻低，但金属丝呈现较大电感，因此在高频时感抗较大，所以低频屏蔽效能高，高频屏蔽效能低。适合于1GHz以下的频率范围。铍青铜指形簧片90130纯金属接触，直流接触电阻低，由于簧片的电感很小，因此在高频时的感抗较低，所以低频、高频都具有较高的屏效。填充导电颗粒的导电橡胶80120不是纯金属接触，直流接触电阻较大，导电橡胶中的导电颗粒之间电容容抗在高频时降低，所以低频的屏蔽效能低，高频时的屏蔽效能高。填充定向金属丝的导电橡胶80120纯金属接触，直流接触电阻低，金属丝有较大的电感，高频时呈现较大的感抗，所以低频的屏蔽效能高，高频时屏蔽效能低。螺旋管衬垫90140具有与簧片相同的特点，镀锡铍青铜螺旋管衬垫是目前屏蔽效能最高的衬垫。此外，还有EMC箔带、EMI连接器衬垫、O型导电密封圈、波导衬垫、导电胶、导电填充剂以及导电涂料等作为孔缝的密封屏蔽材料。1.2.5计算机系统的机箱屏蔽.主机机箱的电磁屏蔽主机机箱由薄钢板折弯成型，外壳分别由底座、上盖和面板三部分组成，如图1-3所示。 图1-3 主机机箱屏蔽示图面板采用4mm厚的铝板加工，面板左侧是通风散热的迸风口，进风口做成1621个4mm的孔阵，每两孔的中心距为6mm，面板内侧装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板和轴流风扇；面板右侧是一屏蔽小门，门内的面板开口处是计算机光驱、软驱等操作区，小门可以翻转，内侧装有一圈导电橡胶圈，关紧时与面板保持严密接触。箱体和上盖由1.2mm厚的钢板做成，它们之间的接触面装有铍铜指簧，当上盖插入面板槽（槽内装有矩形屏蔽丝网衬垫）并盖上底座和锁紧时，则达到密封屏蔽的目的。 图1-4主机机箱后视图 如图1-4所示，主机箱的后部左侧是通风散热的出风口，它是由多个4mm的小圆孔构成一个圆形排列的孔阵，对应孔阵的内侧也装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板和轴流风扇。后部右侧装有多个电缆连接插座和电源插座等。可以看出，机箱的孔洞和缝隙是比较多的。前面板的右侧小门与门洞已用导电橡胶圈整体密封，只有通风散热的进风口；机箱后部除了有散热排风口之外，还有多个连接插座和电源插座。所有的孔洞都采取了有效的密封措施：前后通风口都装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板，这种屏蔽板是由三层铝制金厂属丝屏夹在坚固的拉制金属中间，然后装配在框架内构成，其屏蔽效能（平面波）达80dB（1GHz）60dB（10GHz）。各个连接插座与机箱的接触面之间都装有专用铍铜软指簧，使插座与机箱保持紧密接触。这种冲制的小簧片的屏蔽效能可达95dB（100KHz）75dB（1GHz）。因此主机机箱的孔洞是满足屏蔽要求的，图1-5为面板通风孔示图。下面用前面板的通风口的屏蔽效能来验算一下：图1-5 面板通风孔示图面板的厚度为4mm，为了减小风阻，在面板的内表面加工了2mm深的坑，因此通风口处的厚度实际上只有2mm厚，即t=2mm。其它参数为：取CPU的主频800MHz，=3108/800106=3/8（m）=37.5（cm）d孔径，d=4mma孔眼的表面积，a=3.14d2/4=0.126（cm）n每平方厘米的孔眼数。 通风孔数=1621=336（个） 通风孔区的面积=（150.6+0.4）（200.6+0.4）=116.56（cm2） n=336/116.56=2.88（个/cm2）屏蔽效能 SE=32t/d+20lg（/2d）（r/d）-10lgan 2d SE=32t/d+20lg（/2d）-10lgan =320.2/0.4+20lg（37.5/20.4）-10lg（0.1262.88） =16+33.42-4.4=45.02（dB）面板通风口在800MHz时的屏蔽效能只有45dB，显然是不能满足屏蔽要求的，只有加入滤尘防电磁干扰屏蔽通风板后使屏蔽效能达到100dB以上，才能满足屏蔽要求。上述的验算只是在一个频率点上运算，如果在8GHz时它的屏蔽效能就会下降到25dB了。由于数字电路的驱动电流较大，致使辐射的强度也较大；而高速时钟和数字信号又使得辐射频带加宽：由于时钟电路产生的信号一般是周期方波，其谐波分量都是以基频为倍频的分立频谱，而数字化信息信号一般都是非周期信号，其辐射频谱将以窄带和宽带两种辐射叠加，频率可以以几兆赫兹到数十吉赫兹。因此要对不同频段抑制量的预估及其干扰偶合结构的确定是比较复杂的。加上屏蔽体上电缆的结构及数量、滤波及接地的状况、各种孔缝的状态、材料厚度和特性等等诸多因素的影响，要对屏蔽体进行定量计算其难度是很大的，因此一般采用定性的方法进行屏蔽设计。.液晶显示器的屏蔽设计液晶显示器的外壳采用金属机箱结构，由合金铝板加工成型。如图1-6所示，液晶显示器的外壳主要由面板和后盖构成。面板与后盖连接的四周的接触面装有铍铜指簧；液晶屏的前面安装了一块导电玻璃，这种导电玻璃是在两层玻璃之间夹一层金属丝网经特殊工艺加工而成，由于金属丝网是采用250目的不锈钢丝编织，每个网孔再经特殊工艺焊接，金属网表面再进行镀银、镀镍复合材料，这样的屏蔽玻璃可以有80dB的屏蔽效能（安装导电玻璃时必须将其四周暴露的丝网压紧，使它与面板保持紧密接触）。此外，在机箱后面还有电源插座和接口插座，它们与机箱的接触面之间都装有铍铜软指簧衬垫，从而保证这些孔洞的屏蔽性能。图1-6液晶显示器结构示图.键盘与鼠标的屏蔽设计键盘的工作原理是应用电容技术来实现的：在两层薄胶片上印制了与按键相应的图形或S形金属电极和相关的行列矩阵连接线路，当按键操作时，改变了相对两电极之间的距离，产生电耦合信号，从而使键盘的微处理器获得扫描码，并传送到主机，再由主机译成与按键一致的字符代码。也就是说，它的内部结构主要由两部分组成：一部分是两层重叠在一起的嵌有导电橡胶的胶板和矩阵线路薄膜的印制板，以及相应的各种按键；另一部分是装有微处理器的小印制板。由于键盘是外购的，其外壳一般是塑压而成，因此是一个完全没有屏蔽措施的外部设备。为了解决键盘的屏蔽，首先采取了塑压外壳内表面喷涂导电涂料。这种涂料主要由银（镍）粉和树脂加入添加剂经特殊工艺处理而成，它的表面附着力强、体积电阻0.04欧姆厘米，高、低温及湿热等试验中能满足国军标GJB367.287的环境要求，。据报导，在完全封闭的塑料体内表面喷涂4050m厚的涂料时，其屏蔽效能在频率为150KHz450MHz时可达60dB46dB。因为实际上不可能有一个完全电气连接的屏蔽体，键盘的外壳也不例外，除了上、下盖四周的接缝外，面板上还有许多孔洞。我们曾经在一部电话机的外壳内表面喷涂导电涂料后测试过，结果其屏蔽效能提高了20dB左右。显然键盘外壳光靠内表面喷涂导电涂料是不能满足屏蔽要求的，为此采取了双层屏蔽措施：在底层矩阵线路印制板上加入一层EMC箔膜，并使它的周边良好接地；在上盖内侧安装了与键盘孔一致的屏蔽夹片。此外，还将微处理器小印制板做了一个单独的屏蔽盒，以及连接电缆采用屏蔽线缆并在端口加滤波等措施，以达到抑制EMI的辐射。鼠标器的屏蔽也与键盘一样，外壳的内表面喷涂导电材料，并在内部的连接缝隙上包上金属箔带，其连接电缆也采用屏蔽线缆。1.3电缆的防护1.3.1电缆的辐射/接收电缆是系统辐射干扰的最主要原因，在EMC测试时大多数的失败是因为电缆引起的。经常有这样的情况：两台屏蔽性能完美的设备各自都顺利地通过了EMC测试，但当它们互相连接时，如果电缆的屏蔽层不理想，或者电缆两端的连接器不能提供连续屏蔽或滤波，因此就有可能为电磁干扰的辐射/接收提供了路径，使系统不能满足EMC的测试要求。图1-7是某微机系统的电缆连接示图，从图中可以看出，除了I/O接口电缆之外，微机系统本身的连接电缆就多达17根（接地线未计入），这些电缆有的长达4.5米，因此，电缆的防护问题非常突出。 图1-7某微机系统电缆连接示图图1-8和图1-9是初始时的EMC测试记录，分别为230MHz及30200MHz的电场辐射发射曲线。由于互联电缆多且长，在测试时电缆布局比较混乱，没有理顺好，而且键盘和鼠标的电缆是单层（铝箔）屏蔽的，并长达8根（其中有6根长达4米），因此在整个频段内出现多处超标。后来更换了鼠标和键盘的电缆为双层屏蔽电缆并缩短其长度为2米，并在测试将各种电缆排列理顺好，从而使EMC测试达到理想的结果，如图1-10所示。 图1-8230MHz的电场辐射发射曲线 图1-930200MHz的电场辐射发射曲线 图1-10电缆处理后的电场辐射发射曲线现代电子设备中的微处理器和数字电路的芯片产生的电磁干扰，其频谱范围可达数吉赫兹以上。由于电缆总有一定的长度，其辐射/接收的能力往往比机箱内部的各种引线和印制板的走线更强。据报道，在甚高频（VHF）段的辐射发射主要来自电缆发射，原因是常用的电缆在30150MHz频率要谐振。电缆可以等效为偶极子/接收天线，电缆屏蔽层上流过的干扰电流能在电缆内导体感应出干扰电压；同理，电缆内导体干扰电流的变化也会在电缆外部引起辐射场，其辐射场强是干扰电流、电缆长度和距离的函数。可见，电缆是系统中仅次于天线、而令人烦恼的辐射/接收器。如图1-11所示，电缆产生电磁辐射的原因是有差模电流和共模电流，差模电流IDM是沿着一根电缆方向上流动，而在另一根电缆上相反方向流动。差模电流通常等于信号电流或电源电流，而不在屏蔽体中流动。只要两根导线形成的环路面积是小的，净辐射也是小的；共模电流ICM在同一方向上沿电缆中所有导体平均地流动，包括屏蔽体，与信号无关，经有关的接地网络返回，因此辐射环路是很大的，如不加控制，结果是甚至小的ICM也会导致大的发射信号。因此，在系统中电缆的安排应当尽量减小共模环路面积，避免悬空，使它们尽量靠近地平面（机架）。 图1-11电缆中的差模电流IDM和共模电流ICM1.3.2屏蔽电缆的选择抑制电缆辐射/接收的主要手段是屏蔽和滤波。除了通过良好滤波的电源线和低频接口以外，许多场合必须使用屏蔽电缆，电缆屏蔽层的效果取决于它们的结构，常见的屏蔽电缆有以下几种，如图1-12所示。图1-12常见的几种屏蔽电缆重叠线屏蔽层由许多导线螺旋状在电缆上构成，十分柔软，但屏蔽效果差，在高频时电感很大，因此只限于音频的场合使用。单层编织网屏蔽层由导线编织网来构成电缆的金属覆盖层，能提供8095%的覆盖率和较好的高频特性，能对低阻抗源提供防护，例如对来自电动机控制电路、磁性线圈、过程控制设备和一般家用电器的干扰提供防护。带有接地拖线的金属带或箔层屏蔽层提供了完全覆盖，但有较高的电阻，因此屏蔽效能较低。其特点是重量轻、柔软、直径小和价格低。这种电缆的适当端接比较困难，屏蔽电流将主要集中在拖线上，这使它不适合磁场的屏蔽，不过其电场屏蔽还是很理想的。双层编织网电缆除了电缆有金属覆盖外，电缆中的每根导线也有网状金属覆盖层，有较好的高频屏蔽效能，能提供来自更高频率，如计算机、CAD/CAM和局域网系统等的干扰或泄漏防护。金属箔和编织网组合封装电缆兼有金属箔和编织网的优点，使覆盖率大大增加，高频特性得到很大改善，。内导体使用多股双绞线还可减小串扰问题，能对频率接近1GHz或需要全屏蔽的设备提供防护，可应用于军事通信和安全部门。机载计算机系统的互连电缆基本上都是选用金属箔和编织网组合封装电缆，但由于这种电缆比较坚硬，用作鼠标连线使得操作困难，因此鼠标的电缆线是特制的：内导体选用带软编织网的导线，外层再用金属箔层屏蔽，并对电缆两端进行特殊处理后再进行端接。1.3.3屏蔽电缆的端接及滤波对电缆屏蔽层端接的严格要求是直接连到阻抗尽可能低的金属机箱或机箱地上，化为屏蔽机箱的延伸。保证屏蔽连续性的方法取决于电缆屏蔽层与连接器外壳的360连接和连接器外壳与机箱接触面的密封（即加入屏蔽衬垫）。因此，为了保证满足EMC要求，电缆与连接器的组合设计与工艺以及封装是互联设备屏蔽系统设计的一个重要领域。为了进一步抑制电缆和连接器的辐射/接收能力，还必须阻止干扰电流流入/流出电缆的芯线和屏蔽层。图1-14及图1-15是计算机系统采用的D型连接器，其插头的电缆屏蔽层采取了360端接；插座在每个插针中安装了低通滤波器。在50系统中可提供衰减量化10MHz时20dB，而在100MHz时可高达80dB。连接器中安装的低通滤波器有单个电容型、单个电感型、L型、型。图1-16是某设备在EMC测试时，由于电话手机电缆插座没有采取滤波措施，通过手机电缆的传导发射在20MHz附近十分严重。而将手机电缆拔下测试时，这个现象就完全消失了，如图1-17所示。图中可以清楚地说明电缆接口的滤波是十分重要的。 图1-16 手机电缆插座插上时的测试曲线 图1-17手机电缆插座拔下时的测试曲线电容型滤波连接器是在连接器的每个插针至机壳之间加有100pF1000pF电容器，组成电容器阵列，它们与内联线输出阻抗组成低通滤波器阵列。典型的25针D型超小型滤波连接器采用一种多层陶瓷状阵列电容器，每针1000pF。其公共地固定在连接器屏蔽壳的顶部和顶面上，能对30MHz300MHz频率范围内的干扰电流产生30dB的衰减。如果同时在连接器的每根插针上套一个铁氧体磁珠，可等效为与内联线输出阻抗串联的电感和电阻，使内联线输出阻抗提高，并构成L型或型滤波器。此外，为了抑制电缆屏蔽层上的共模电流，一种比较流行的方法是在电缆上加套一只铁氧体扼流圈，通常将它安装在靠近电缆穿出机箱的部位。这种扼流圈能够有效地增加共模电流的高频阻抗，将干扰能量吸收并转换成热能损耗掉。电缆是系统中仅次于天线的辐射/接收器，但如果能将电缆、连接器、滤波器等进行合理的结合并作为屏蔽机箱的延伸，就可以有效地克服这种天线效应，使电缆实现“净化”。1.4接地地线设计是十分重要的设计，往往也是难度很大的设计。接地的目的主要有三个：安全的要求、防雷电的要求和信号的参考点。安全接地是人身安全的基本保证，例如大部分设备都有电源滤波器，而滤波器中的共模滤波电容器是直接将火线和零线连接到机壳上的，所以机壳上会带有一半的电源电压（若电源电压为220V，则机壳上会有带有110V的电。），因此设备的机壳必须良好接地。发生雷电时，会在与设备相连的导体上感应出很高的共模电流和共模电压，造成设备的损坏。电磁脉冲抑制器件能够将此能量泄放到大地，避免设备承受大能量的袭击。电路中一个信号的电压幅度是以参考点为基准定义的。当一个电路将一定幅度的信号传输给另一个电路，只有这两个电路有相同的参考点时才有意义。接地的目的就是为电路提供公共的参考点。电路中的“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点，不一定是实际的大地，而可以是设备的外壳或其他金属板、线。信号地线是信号流回源的低阻抗路径，类型有悬浮地、单点接地、多点接地以及混合接地。，如下图所示。悬浮地是一种将电路或设备与公共接地平面或可能引起环路电流的公共导线进行电隔离的方法。由于隔离后设备不与大地相连，容易出静电积累，当积累的电荷达到一定程度后，若是人员触及设备外壳就会产生静电放电，或者在设备与大地之间会自然产生具有强大放电电流的静电击穿现象，这种现象是破坏性很大的强骚扰源，因而这种接地很小采用。或者必要采用时在设备与大地之间接入一个电阻值很大（约几兆欧）的泄放电阻，以消除静电积累的危险。单点接地是指在一个线路中，只有一个接地参考点。单点接地用于低频单元电路的接地；多级电路接地点应选在低电平电路的输入端，可减小地电位对电路的骚扰；小信号高增益放大器的屏蔽盒也应单点接地，接地点应选在输出端地线上，可以防止自激。但是当系统的工作频率高于10MHz时，就不能再用单点接地方式了。这是因为，当地线的长度接近于/4时，它便更像一根终端短路的传输线，而不能起到“地”的作用了。多点接地是指一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地的引线最短。，多点接地一般用于高于10MHz的频率范围。但由于两个接地点之间存在地电压，电路多点接地并且电路间有信号联系时，将均构成地环路骚扰。地电压将叠加在信号上一起加到负载，造成差模干扰。如果两电路间的信号用两根导线，到地电压将加到两根导线上，由于这两根导线对地的阻抗不等，地电压在两根导线上产生的共模电压大小不等，也将在负载两端造成差模干扰。为了克服地环路骚扰，除了尽量降低地线的阻抗外，还可以将信号地线和机壳地线分组敷设（有些设备还将模拟信号地线和数字信号地线及机壳地线分别敷设），先互相绝缘，后再汇合在一起，使地环路阻抗增大，将地电压大部分降在该阻抗上，加到导线上的那部分被大大减小。此外，还可以在两电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等，切断地环路，也可以取得良好的效果。为了克服地环路对系统中频率较低的电路产生不良影响，可以采用混合接地方法。混合接地是利用电抗性器件在不同频率下呈现不同阻抗的特性，达到在不同频率下具有不同的接地结构，也就是将那些只需高频接地的点使用串联电容器把它们和接地平面连接起来。如图中（d）所示，这个系统中在低频时是单点接地，在高频时是多点接地。接地引线的长度必须小于/4，这仅仅是考虑到“地”作用的起码要求，但实际究竟应小到多少还要看电源通过该接地线所产生的压降大小有关。如果一个电路对此压降很敏感，则接地引线的长度不大于0.05或更小；如果只是一般的敏感，则接地引线可长一些，但一般不超过0.15。图1-18是某设备在EMC测试时的接地引线过长的问题，图中（a）是将三个设备叠放在一起时的测试情况，由于地线阻抗过大引起共模干扰，结果在测试时没有通过；图(b)是将设备平铺放置测试的，接地引线的阻抗明显减小，因而顺利地通过了EMC测试。图1-18 EMC测试时设备接地引线过长影响测试效果1.5滤波滤波是抑制传导干扰的最有效的方法，同时也因为抑制了骚扰源，对辐射于扰的抑制也会有明显效果。抑制传导骚扰的滤波器主要有反射式滤波器和吸收式滤波器两类。反射式滤波器由串联电感器、并联电容器、和串并联电阻器等组成，一般而言，串联电感对低频信号和电源电流是低阻，而对高频噪声是高阻；并联电容器对低频信号和电源电流是高阻，不形成低阻短路，但对高频噪声提供低阻通道，因而可以防止高频噪声泄露；电阻作为耗能或阻抗元件，合理应用同样能起到抑制电磁于扰的作用，另外它与电感、电容组合使用还可以起到改变线路参数的作用。因此，反射式滤波器常用于电源线滤波器和信号线滤波器。吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内，有耗器件将传导干扰的能量吸收后转化为热损耗而起到滤波作用。铁氧体材料就是一种广泛应用的有耗器件，可用来构成低通滤波器。当导线中的低频电流穿过铁氧体时几乎没有损耗，但高频电流却会受到很大的损耗。这是因为铁氧体材料可以等效为电阻值和电感量都随频率变化的电阻和电感的串联。在低频段，电感起主要作用，在高频段，电阻起主要作用，并随频率升高而增加，电感却随频率升高而反而减小，因此对高频分合起到较大的衰减作用，而对直流或低频分量几乎没有衰减。铁氧体可以做成多种形式，例如可以直接焊在印制电路板上的电阻元件形式；可以串在低频信号线上的磁珠；可以套在元器件引脚或导线上的磁环；可以套在电缆上的柱形磁环和矩形磁环等。选择滤波器的目的是必须对共模干扰和差模干扰都有抑制作用，因此应该合理地选择其结构形式和有关参数。插入损耗是选用滤波器的依据：插入损耗（IL）：IL=20logV1/V2 V1无滤波器时的电压；V2有滤波器时的电压。最大失配原则；滤波器是一种双向无源网络，它的一端是“源”，另一端是“负载”。在所关心的衰减频带内，可把滤波器看作是“阻抗失配网络”。网络分析结果表明：滤波器阻抗与两侧端口阻抗失配越大，对电磁干扰能量的衰减就越有效，这就是“最大失配原则”。因此在选择滤波器时应使电路高阻抗端接滤波器低阻抗端，电路低阻抗端接滤波器的高阻抗端。不同的源与负载阻抗的插入损耗计算：滤波器的插入损耗数据一般是按50系统获得的，因此在选用时必须把源阻抗与负载阻抗的因数与电气设置配套，才能考虑插入损耗。实际电路的插入损耗可由以下公式计算：IL=20log1+ZsZl/Zt（Zs+Zl）式中：Zs源阻抗；Zl负载阻抗； Zt传输阻抗。举一个电源滤波器的例子：设系统源阻抗1