结构方面的EMC和EMI设计知识.ppt

结构方面的EMC/EMI设计简单介绍 电磁兼容（ElectromagneticCompatibility,EMC）主要包含两方面的内容：电磁干扰（Electromagneticinterference,EMI）；电磁敏感度（Electromagneticsusceptibility,EMS）。电磁兼容设计基本目的：vA产品内部的电路互相不产生干扰，达到预期的功能。vB产品产生的电磁干扰强度低于特定的极限值。vC产品对外界的电磁干扰有一定的抵抗能力。具体在工程措施上v电磁兼容设计可分为：信号设计、线路设计、屏蔽、接地与搭接、滤波、合理布局。其中与结构关系较大的有：屏蔽、接地与搭接、合理布局。但这并不代表其他措施与结构设计完全无关，结构设计亦需配合完成其他措施比如滤波。结构方面的EMC/EMI设计1、屏蔽v电磁屏蔽的目的有两个：一个限制内部的辐射电磁能越出某一个区域；而是防止外来的辐射进入某一区域。即切断电磁波的传播途径。v电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一，绝大部分电磁兼容问题的最大好处是不会影响电路的工作。电磁屏蔽技术作为解决电磁兼容性问题的重点措施之一。v屏蔽按其机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。v需要注意的是，在实际工程中，通常将电磁场屏蔽与电场屏蔽合二为一。将屏蔽体接地即可实现电磁场屏蔽与电场屏蔽的统一。1.1电场屏蔽和电磁场屏蔽设计1.1.1电场屏蔽v电场屏蔽主要作用是防止静电场和低频交变电场的影响，消除两个设备或两个电路之间由于分布电容耦合所产生的影响。在结构设计中通常为两个设备或两个模块之间的电场屏蔽。v若屏蔽的为交流源，则频率在10kHz以下时采用电场屏蔽，高于10kHz时屏蔽效果将会变差。需要注意的是在电场屏蔽中，最重要的一点是屏蔽壳体的接地质量。在电场屏蔽的设计中，主要考虑以下三个方面的问题：a、屏蔽板尽量靠近CPU等被屏蔽元件，并且屏蔽板必须可靠接地屏蔽板必须可靠接地，其作用从理论上来看，屏蔽板相当于造就了分布电容，且越靠近被屏蔽元件其分布电容的容量越大，其屏蔽效果越好。b、屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响，理论上全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果。c、屏蔽板的材料以良导体（铝、铜等）为好，屏蔽材料的厚度满足强度要求即可。v电磁场屏蔽的有效性是用屏蔽效能来度量。它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。屏蔽体的屏蔽效能由两部分构成：吸收损耗和反射损耗。为了提高屏蔽材料的屏蔽效能，必须想办法提高吸收损耗和反射损耗。当电磁波入射到不同媒体的分界面时，就会发生反射，于是减小了继续传播电磁波的强度，于是构成反射损耗。v当电磁波在屏蔽材料中传播时，同样会产生损耗，于是构成吸收损耗。吸收损耗的计算公式：结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计vA=201g(E0/E1)=20lg(e（t/）)dBv式中趋肤深度=0.066/(frr)0.5mm，f单位为MHz。v实际工程案例：v如果需要对一个机箱做电场屏蔽和电磁场屏蔽，需要做哪些措施？v1、屏蔽体的材料选择。v铜虽然导电性好，但是密度较大，不适合做屏蔽机箱。铝具有很高的比强度，同时导电性能也非常好，通过用来做屏蔽机箱。如果对屏蔽效能要求不高，亦可采用其他材料比如镀锌钢板。v2、良好接地。通常是通过接地柱接到大地的方式。接地柱示意图1-1如下,需要注意的是，此接地柱仅为电场屏蔽接地用。如果有信号地及其他地需要连接，壳体内部亦应该采用焊片良好接地。焊片材料一般为黄铜H-62。v另外，壳体与焊片之间保持良好导电连接，严禁做任何非导电涂覆。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计1-1结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计1.2屏蔽体的缝隙和开孔处理。v典型值：/20。为频段中最高频率电磁波波长。v缝隙的长度和开孔的直径应小于/20，最好小于/100。v通风孔直径采用小圆孔，典型值3。3孔阵的打孔金属板在1GHz时，屏蔽效能在20dB左右。v缝隙处理。机箱至少是两个零件的组合体，盒体和盖板。而盒体和盖板之间一般情况下需要经常拆卸，不可能用焊接完全密封。要取得良好的屏蔽效能，必须使盒体和盖板间的接触电阻减至最小。v开孔处理v机箱内设备功率较大时，通常需要布置通风孔，进行通风散热。v通常做法为：va、在不影响散热的情况下，通风孔应尽量小（典型值3）。vb、通风孔位置应尽量远离干扰源。v4、显示窗和屏的处理。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计。隔离舱隔离舱滤波器滤波器屏蔽窗屏蔽窗滤波器滤波器结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计按键的处理，示意图如下：屏蔽体上开小孔屏蔽体上开小孔屏蔽体上栽上截止波导屏蔽体上栽上截止波导管管用隔离舱将操作器件隔用隔离舱将操作器件隔离出离出结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计1.1.2磁场屏蔽设计v磁场屏蔽通常指低频磁场（DC100KHZ）。主要依赖高磁导率材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，使屏蔽体内部的磁场大大减弱。v磁场屏蔽效能在理论上为：vSE=(Rs+R0)/Rsv式中Rs：屏蔽体的磁阻；R0:空气磁阻v磁阻Rs=S/(A)v式中S：磁路长度；A:此路截面积v对上述计算公式进行分析，提高屏蔽效能的主要措施有：va、高磁导率的材料；vb、增加屏蔽体壁厚，即增加磁路的截面积；v屏蔽盒一般由板料用钣金工艺加工或冷冲成型，结构上难免含有接缝或通风、观察孔等。接缝和孔洞的存在都会引起屏蔽体磁阻的增加，降低屏蔽效能。v工程上常用措施如下：va、屏蔽对象的选择。由于整体做低频磁屏蔽比较困难，所以一般选择对低频磁场干扰源进行屏蔽。比如开关电源、电感线圈等。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计vb、屏蔽材料的选择。镀锌钢板性价比较高，铍镆合金性能最好。在强磁场中需选用磁饱和性能较高的材料，如硅钢。vc、屏蔽体的接缝要与磁通流经方向尽可能平行，降低磁阻。下图为铁芯电源变压器的屏蔽盒示意图1-2vd、屏蔽盒上的通风孔应顺磁通方向。如下示意图1-3ve、接缝的连接工艺及结构对屏蔽效能影响也较大。一般接缝处盖板和盒体之间的重叠部分为9mm，点焊间距为12mm时，接缝对磁屏蔽效能的影响可以不予考虑。螺钉连接时，也应该有尽可能多的重叠和尽可能小的螺钉间距。示意图如下1-4v需要特别注意的一点是，铁磁性材料一般对机械应力较为敏感，因为机械应力的存在将使磁性材料的磁导率大大下降。磁屏蔽体必须在机械加工全部完成之后进行退火处理。v当屏蔽效能要求较高时，可以采用双层屏蔽结构。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计1-2结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计1-31-4结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计2.接地与搭接2.1接地v在电子设备中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一。在设计中如果能把接地和屏蔽正确地配合使用，对实现电子设备的电磁兼容性将起着事半功倍的作用。v机壳的接地，通过接地柱连接大地。v电路板的接地，电路板螺钉连接处即是电路板的大地连接点。v低频电路一般采用单点接地方式。射频、中频放大部分采用多点接地。信号地与电源地要分开。v电缆屏蔽层的接地。以同轴电缆为例，在传输高频信号（大于100kHz）时，屏蔽层应采用两点或多点接地；传输低频信号时，屏蔽层应单点接地。实际经验表明，在100kHz以下，电缆屏蔽层单点接地具有最佳的磁场抑制作用。另外，电缆屏蔽层不要在屏蔽盒体内部接地，否则容易在屏蔽盒体造成干扰，从而使屏蔽盒体的屏蔽效能降低。2.2搭接搭接是将设备、组件、元件的金属外壳或构架用机械手段连接在一起，形成一个电气上连续的整体。这样可避免在不同金属外壳或构架之间出现电位差，而。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计v这电位差往往是电磁干扰的诱发原因之一v搭接类型分为直接搭接和间接搭接。v直接搭接可以利用螺栓等固定装置将一些经机加工的表面或带有导电衬垫的表面进行固定，也可利用铆接、熔焊、钎焊等工艺将搭接对象连接。v间接搭接是借助中间过渡导体（搭接条或片）把两金属构件在电气上连接在一起，性能不如直接搭接好。搭接片的固定方法有：螺栓连接、铆钉、熔焊或钎焊。v搭接条最好用导电性能好的扁平薄板料（铜或铝）制造。为减小搭接条的阻抗，推荐长宽比不超过5：1。一般而言，随着频率的增高，搭接效能将下降。v搭接条之间的搭接要注意防止电化学腐蚀。v搭接表面应进行处理，不留非导电物质，保持良好连接。3合理布局v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，其基本原则是使敏感设备和干扰源尽可能远离，输出与输入区妥善分隔，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。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计v在结构设计中，大部分设备内的布局属近场范围，有意识的利用空间距离衰减，就可以降低对屏蔽设计的要求。在近场区的电磁干扰，对距离十分敏感。在工程实施上就是尽可能的将电磁干扰源远离敏感设备，远离通风孔。v常见的滤波器安装问题。滤波器的安装质量对实际衰减性能影响很大，只有把滤波器正确地安装到设备或设施上，才能获得预期的衰减特性。其应遵循以下几点：va、电源供电线的滤波器应安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处，并予以屏蔽。屏蔽体应与设备壳体良好搭接。vb、焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会破坏滤波器滤波的有效性。vc、滤波器的电源输入线不能在屏蔽箱体内暴露。4.滤波技术简单分析v单纯的屏蔽措施往往不能解决完整的电磁干扰防护问题，因为设备或系统上的电缆是典型的干扰接收和发射天线。采用滤波技术而解决这个问题最有效的方法是在电缆的端口采用滤波技术。v滤波技术在设计中的重点主要在二个方面：结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计vA电源滤波技术分析vB信号滤波技术分析v解决电磁兼容的一个关键问题就是来自工作电源方面的干扰信号，为此，在电源方面的处理需予以特别重视。v首先在电源输入端口设置反向截止大容量的存储电路和双极性瞬态电压抑制器（即TVS），其作用时增加产品承受来自外电瞬态高压尖峰脉冲的冲击，从而提高抗电源冲击和抗尖峰脉冲干扰的能力。v同时在电源输入端口设置直流滤波器，滤波器主要由无源集中参数元件（电感、电容及电阻）构成。在设计中，考虑其不仅在所需阻带范围内有着良好的抑制性，而且在其通带和过度频带不应产生明显的阻尼震荡。其中电感和电容主要作用于抑制电源线上传输的电磁干扰脉冲，以尽可能地抑制和减少电磁干扰脉冲向控制器内部侵入。v对电源滤波器的一个设计要点时要求其当大电流时，其电感不能发生饱和，为此电源滤波器中二组电感线圈必须同时绕在一个磁芯上，这二个电感在电流的方向上互补，这种方式对于差模电流和电流所产生的磁通时互相抵消的，因此不会引起磁芯的饱和。而对共模电流则可以体现为相当大的电感值，从而获得最大的滤波效果。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计v为了进一步隔绝外电源电网对系统的干扰，在设计中可以选用DC/DC功率变化模块作为产品的直流电源的转换和配置，该模块采用将外电源网与内部电源进行隔离的结构，因而此电源对输入电网波动具有很强适应性能，且具有相当的抗干扰能力。v为提高高频段的滤波性能，同时也充分考虑到结构和工艺上的合理性及批产的可制造性，对使用穿芯电容的可以按照方式进行分析研究，选用符合技术标准的电磁兼容型接插件，在信号滤波技术方面可以采取的措施主要有：va、在所有的输入信号接口均采用单电容型滤波结构；vb、在所有的输入输出接口与系统均采用光电耦合隔离措施。vc、为防止输入、输出信号线引起的干扰信号串入主机，在所有的插口引线根部均串入具有吸收静电脉冲能力的EMI吸收磁环。v在低成本方面应用较多的就是铁氧体磁环的使用。v铁氧体磁环又称吸收磁环，亦可以称之为共模扼流圈。它可以衰减较高频同时让较低频几乎无阻碍地通过。它吸收所在线路上的高频干扰信号，但却不会在系统中产生新的零极点，不会破坏系统的稳定性。它与电源滤波器配合使用，可很好的补充滤波器高频端性能的不足，改善系统中滤波特性。v磁环的匝数选择。将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈，根据需要，也可以将电缆在磁环上面绕几匝。匝数越多，对频率较低的干结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计v扰抑制效果越好，而对频率较高的噪声抑制作用较弱。在实际工程中，要根据干扰电流的频率特点来调整磁环的匝数。通常当干扰信号的频带较宽时，可在电缆上套两个磁环，每个磁环绕不同的匝数，这样可以同时抑制高频干扰和低频干扰。从共模扼流圈作用的机理上看，其阻抗越大，对干扰抑制效果越明显。而共模扼流圈的阻抗来自共模电感Lcm=jwLcm，从公式中不难看出，对于一定频率的噪声，磁环的电感越大越好。但实际情况并非如此，因为实际的磁环上还有寄生电容，它的存在方式是与电感并联。当遇到高频干扰信号时，电容的容抗较小，将磁环的电感短路，从而使共模扼流圈失去作用。v磁环材料的选择。根据干扰信号的频率特点可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体，前者的高频特性优于后者。锰锌铁氧体的磁导率在几千-上万，而镍锌铁氧体为几百-上千。铁氧体的磁导率越高，其低频时的阻抗越大，高频时的阻抗越小。所以，在抑制高频干扰时，宜选用镍锌铁氧体；反之则用锰锌铁氧体。或在同一束电缆上同时套上锰锌和镍锌铁氧体，这样可以抑制的干扰频段较宽。v磁环的尺寸选择。磁环的内外径差值越大，纵向高度越大，其阻抗也就越大，但磁环内径一定要紧包电缆，避免漏磁。v磁环的安装位置。磁环的安装位置应该尽量靠近干扰源，即应紧靠电缆的进出口。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计5设计要素总结5.1结构材料va、适用于底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场，主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收。vb、对磁场的屏蔽需要铁磁材料，如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。vc、在强电磁环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分，因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。vd、对于塑料壳体，是在其内壁喷涂屏蔽层，或在汽塑时掺入金属纤维。v必须尽量减少结构的电气不连续性，以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度，减少缝隙长度，在结合面上加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距离等。5.2搭接va、在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好的搭接。最坏的电搭接对壳体的的屏蔽效能起决定性作用。（即短板效应）结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计vb、保证接缝处金属对金属的良好接触，以防电磁能的泄漏和辐射。vc、在可能的情况下，接缝应焊接。在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定。vd、在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的1，至少不大于1/20波长。ve、用螺钉或铆接进行搭接时，应首先在缝的中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的弯曲。vf、保证紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、震动时保持表面接触。vg、在接缝不平整的地方，或在可移动的面板等处，必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。vh、选择高导电率的和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑结合处所使用的频率。vi、选择硬韧性材料做成的衬垫，以便划破金属上的任何表面。vj、保证同衬垫材料配合的金属表面没有任何非导电保护层。vk、当需要活动接触时，使用指形压簧，并要注意保持弹性指簧的压力。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计vl、导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或蒙乃尔线性衬垫将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。v选择使用什么种类电磁密封衬垫时要考虑四个因素：屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。不同衬垫材料的特点比较，如表所示。v表3电磁密封衬垫表1-5结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计1-5结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计5.3、穿透和开口va、要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，屏蔽效能降低30db以上。vb、电源线进入机壳时，全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外；若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳出专为滤波器设置一隔舱。vc、信号线、控制线进入/穿出机壳时，要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器适于这种场合使用。vd、穿过屏蔽体的金属控制轴，应该用金属触片、接地螺母或射频衬垫接地。也可不用接地的金属轴，而用其它轴贯通波导截止频率比工作频率高的园管来做控制轴。ve、必须注意在截止波导孔内贯通金属轴或导线时会严重降低屏蔽效能。vf、当要求使用对地绝缘的金属控制轴时，可用短的隐性控制轴，不调节时，用螺帽或金属衬垫弹性安装帽盖住。vg、为保险丝、插孔等加金属帽。vh、用导电衬垫和垫圈、螺母等实现钮子开关防泄漏安装。vi、在屏蔽、通风和强度要求高而质量不苛刻时，用蜂窝板屏蔽通风口，最好用焊接方式保持线连接，防止泄漏。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计vj、尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容滤波。vk、在不能从后面屏蔽指示器/显示器和对引线滤波时，要用与机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽指示器/显示器的前面。对夹金属丝的屏蔽玻璃，在保持合理透光度条件下，对301000m的屏蔽效能可达50110db。在透明塑料或玻璃上镀透明导电膜，其屏蔽效果一般不大于20db。但后者可消除观察窗上的静电积累，在仪器上常用。结构方面的结构方面的EMC/EMI设计设计