EMI的控制

3万 · 2013-6-9 09:09

EMI的控制
我们知道，造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素，首先是有一个电磁场所，其次是有干扰源和被干扰源，最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路，以便把能量从干扰源传递到受干扰源。因此，为解决设备的电磁兼容性，必须围绕这三点来分析。一般情况下，对于EMI的控制，我们主要采用三种措施：屏蔽、滤波、接地。这三种方法虽然有着独立的作用，但是相互之间是有关联的，良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求，而良好的屏蔽也可以使滤波器的要求低一些。下面，我们来分别介绍屏蔽、滤波和接地。

4.3.1屏蔽
屏蔽能够有效的抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个，一个是限制内部的辐射电磁能量外泄出控制区域，另一个就是防止外来的辐射电磁能量入内部控制区。按照屏蔽的机理，我们可以将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、和电磁场屏蔽。

4.3.1.1 电场屏蔽
一般情况下，电场感应可以看成是分布电容间的耦合，图1-4-4是一个电场感应的示意图。

图1-4-4 电场感应示意图
其中A为干扰源，B为受感应设备，其中Ua和Ub之间的关系为
Ub=C1*Ua/(C1+C2)
C1为A、B之间的分布电容；C2为受感应设备的对地电容。
根据示意图和等式，为了减弱B上面的地磁感应，使用的方法有
增大A和B之间的距离，减小C1。减小B和地之间的距离，增大C2。在AB之间放置一金属薄板或将A使用金属屏蔽罩罩住A，C1将趋向0数值。相对来说1和2比较容易理解，这里主要针对第3种方法进行分析。由图1-4-5可以看出，插入屏蔽板后(屏蔽板接地)。就造成两个分布电容C3和C4，其中C3被屏蔽板短路到地，它不会对B点的电场感应产生影响。而受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容，C3和C4，实际上是处在并联的位置上。这样，B设备的感应电压ub'应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1'与并联电容C2和C4的分压，即
Ub=C1'*Ua/(C1'+C2+C4)

图1-4-5加入金属板后的电场感应图
由于C1'远小于为屏蔽的C1，所以在B的感应电压就会减小很多。因此，很多时候都采用这种接地的金属罩作为屏蔽物。
以下是对电场屏蔽的几点要点总结：
屏蔽金属板放置靠近受保护设备比较好，这样将获得更大的C4，减小电场感应电压。屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显的影响，例如，全封装的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果，而开孔或带缝隙的屏蔽罩可以有最好的电场屏蔽效果，而且开孔或者带缝隙的屏蔽罩，其屏蔽效能会受到不同程度的影响. 屏蔽板的材料以良性导体为佳。对厚度并无特殊要求。 4.3.1.2磁场屏蔽
由于磁场屏蔽通常是对直流或很低频场的屏蔽，其效果和电场屏蔽和电磁场屏蔽相比要差很多，磁场屏蔽的主要手段就是依赖高导磁材料具有的低磁阻，对磁通起分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。
对于磁场屏蔽需要注意的几点：
减小屏蔽体的磁阻(通过选用高导磁率材料和增加屏蔽体的厚度) 被屏蔽设备和屏蔽体间保持一定距离，减少通过屏蔽设备的磁通。对于不可避免使用缝隙或者接风口的，尽量使缝隙或者接风口呈条形，并且顺沿着电磁线的方向，减少磁通。对于强电场的屏蔽，可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用容易到达饱和的高导磁材料。因为第一次屏蔽削弱部分，第二次削弱大部分，如果都使用高导磁，会造成进入一层屏蔽的在一层和二层间造成反射。如果要屏蔽内部的磁场，则相反。而屏蔽体一般通过非磁性材料接地。 4.3.1.3电磁场屏蔽
电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻隔电磁场在空间传播的一种措施。和前面电场和磁场的屏蔽机理不同，电磁屏蔽对电磁波的衰减有三个过程：
当电磁波在到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗不连续，对入射波产生反射，这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度，只需要交界面上的不连续。进入屏蔽体的电磁波，在屏蔽体中被衰减。穿过屏蔽层后，到达屏蔽层另一个屏蔽体，由于阻抗不连续，产生反射，重新回到屏蔽体内。从上面三个过程看来，电磁屏蔽体对电磁波的衰减主要是反射和吸收衰减。

4.3.1.4电磁屏蔽体和屏蔽效率
屏蔽效率是对屏蔽体进行性能评估的一个指数，它的表达式为：
SE(db)=A+R+B

1) 其中A为吸收损耗，吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗可以通过下面的公式计算：
AdB=1.314(f*σ*μ)1/2*t
f：频率(MHz) μ：铜的导磁率 σ：铜的导电率 t：屏蔽体厚度

2) R指反射损耗，反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻抗越高，然后随着与波源距离的增加而下降，但平面波阻抗则无变化(恒为377)。相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻抗越低，波阻抗随着与波源距离的增加而增加，但当距离超过波长的六分之一时，波阻抗不再变化，恒定在377处。反射损耗随波阻抗与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽的设备。
近场反射损耗可按下式计算：
R(电）db=321.8-(20*lg r)-(30*lg f)-[10*lg(μ/σ)]
R(磁）db=14.6+(20*lg r)+(10*lg f)+[10*lg(μ/σ)]
其中r指波源与屏蔽之间的距离。

3) SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为：
B=20lg[-exp(-2t/σ)]
此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，表示屏蔽效率的下降情况。
也就是说，我们想抑制住EMI，必须提高屏蔽效率，那么，屏蔽材料的选择也变得很重要了．只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。
在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。
设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。
任一频率电磁波的波长为：波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)
当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时，RF波开始以20dB/lO倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，
一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减，则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲，若需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰减26dB时，缝隙应小于7.5mm(15mm的1/2以上)，需要衰减32dB时，缝隙应小于3.75mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降，因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比，例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性；另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物，如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础。
多孔薄型屏蔽层：多孔的例子很多，比如薄金属片上的通风孔等等，当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式
SE=[20lg(fc/o/σ)]-10lg n其中f截止频率n：孔洞数目
注意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况，也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。
接缝和接点：电焊、铜焊或锡焊是薄片之间进行永久性固定的常用方式，接合部位金属表面必须清理干净，以使接合处能完全用导电的金属填满，保持高阻状态．导电衬垫的作用是减少接缝或接合处的槽、孔或缝隙，使RF辐射不会散发出去。EMI衬垫是一种导电介质，用于填补屏蔽罩内的空隙并提供连续低阻抗接点。
垫片系统：一个需要考虑的重要因素是压缩，压缩能在衬垫和垫片之间产生较高导电率。衬垫和垫片之间导电性太差会降低屏蔽效率，另外接合处如果少了一块则会出现细缝而形成槽状天线，其辐射波长比缝隙长度小约4倍。
确保导通性首先要保证垫片表面平滑、干净并经过必要处理以具有良好导电性，这些表面在接合之前必须先遮住；另外屏蔽衬垫材料对这种垫片具有持续良好的粘合性也非常重要。导电衬垫的可压缩特性可以弥补垫片的任何不规则情况。
所有衬垫都有一个有效工作最小接触电阻，设计人员可以加大对衬垫的压缩力度以降低多个衬垫的接触电阻，当然这将增加密封强度，会使屏蔽罩变得更为弯曲。大多数衬垫在压缩到原来厚度的30％至70％时效果比较好。因此在建议的最小接触面范围内，两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有良好的导电性。
另一方面，对衬垫的压力不应大到使衬垫处于非正常压缩状态，因为此时会导致衬垫接触失效，并可能产生电磁泄漏。与垫片分离的要求对于将衬垫压缩控制在制造商建议范围非常重要，这种设计需要确保垫片具有足够的硬度，以免在垫片紧固件之间产生较大弯曲。在某些情况下，可能需要另外一些紧固件以防止外壳结构弯曲。
压缩性也是转动接合处的一个重要特性，如在门或插板等位置。若衬垫易于压缩，那么屏蔽性能会随着门的每次转动而下降，此时衬垫需要更高的压缩力才能达到与新衬垫相同的屏蔽性能。在大多数情况下这不太可能做得到，因此需要一个长期EMI解决方案。
如果屏蔽罩或垫片由涂有导电层的塑料制成，则添加一个EMI衬垫不会产生太多问题，但是设计人员必须考虑很多衬垫在导电表面上都会有磨损，通常金属衬垫的镀层表面更易磨损。随着时间增长这种磨损会降低衬垫接合处的屏蔽效率，并给后面的制造商带来麻烦。
如果屏蔽罩或垫片结构是金属的，那么在喷涂抛光材料之前可加一个衬垫把垫片表面包住，只需用导电膜和卷带即可。若在接合垫片的两边都使用卷带，则可用机械固件对EMI衬垫进行紧固，例如带有塑料铆钉或压敏粘结剂(PSA)的“C型”衬垫。衬垫安装在垫片的一边，以完成对EMI的屏蔽。
推广开来说，不仅仅针对高频电路，一般系统都需要进行屏蔽，这是因为结构本身存在一些槽和缝隙。所需屏蔽可通过一些基本原则确定，但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度，如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形。表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现EMC性能的关键因素。

4.3.2滤波
滤波通常采用三种器件来实现：去耦电容、EMI滤波器和磁性元件。

4.3.2.1去耦电容
前面我们曾经分析过，当电路在很快的器件高低电平变换的时候，就会产生一系列的正弦谐波分量，这些正弦谐波分量就是我们所说的EMI成分，这些高频谐波会通过和其他设备之间的耦合通道对其他设备造成电磁干扰。合理使用去耦电容就能起到很好的抑制电磁干扰的效果，实际的电容是可以等效图1-4-6所示的模型：

图1-4-6 电容的等效模型
其中等效串联电阻我们称之为ESR，等效串联电感我们称之为ESL，我们可以计算出这个等效电容的谐振频率为：
Fr=1/2π√LC
电容的滤波原理就是通过这个频率来确定。小于谐振频率的时，电容体现为容性，而当频率大于谐振频率的时，电容就体现为感性。所以，我们在滤除较为低频的噪声的时候，就应当选择电容值比较高的电容，想滤去频率较高的噪声，比如我们前面所说的EMI，则应该选择数值比较小的电容。所以，在实际中，我们通常放置一个1uf到10uf左右的去耦电容在每个电源输出管脚处，来抑制低频成分，而选取O.01uf到O.1uf左右的去耦电容来滤除高频部分(对去耦电容的特性分析请参考第五章电源完整性分析)。为了获得最佳的EMI抑制效果，我们最好能在每组电源和地的引脚都能安装一个电容，但是如果电源在流出引脚前在Ic内部已经放置去耦电容，那么在引脚处就不必在和每个地之间连接一个电容了．但是这样对IC芯片的成本会相应提高。
图1-4-7是一个放置耦合电容和不放置耦合电容的EMI仿真比较：

图1-4-7 去耦电容对抑制EMI的作用

4.3.2.2 EMI滤波器
EMI滤波一般是用在对电源线的滤波，它是用来隔离电路板或者系统内外的电源，它的作用是双向的，即可以作为输出滤波，也可以作为输入滤波．EMI滤波器是由电感和电容组成。比较常见的几种EMI滤波器有：穿心电容，L型滤波器，Ⅱ型滤波器，T型滤波器等。对于不同滤波器的选择，我们通常是通过滤波器接入端的阻抗大小来决定。如果电源线两端都为高阻，那么易选用穿心电容和Ⅱ型滤波器，但是Ⅱ型滤波器的衰减速度比穿心电容大；如果两端阻抗相差比较大，适宜选择L型滤波器，其中电感接入低阻如果两端都为低阻抗，那么就选用T型滤波器。

4.3.2.3 磁性元件
磁性元件是由铁磁材料构成的，有来抑制EMI，最常见的磁性元件有磁珠，磁环，扁平磁夹子。磁环和磁夹子一般用在连接线上，如图1-4-8所示。

图1-4-8磁性元件示意图
磁性元件的工作原理很简单，就是相当于在传输线上串入一电感，厂家一般会提供与图1-4-9类似的特性图，设计者必须根据需求来选择相应的磁性元件，在下图中，线上串接一个磁性元件的插入损耗可由下面这个公式计算得出：
Loss(dB)=20log[(Zs+Zf+Z1)／(Zs+Z1)]

图1-4-9磁性元件的特性图
由于磁性元件并不增加线路中的直流阻抗，这使得它非常适合用在电源线上做EMI抑制器件。由于磁珠很小也很容易处理，所以有时候也把它用在信号线上作为EMI抑制器件，但是它掩盖了问题的本质，影响了信号的上升下降时间，除非万不得以或者在设计的最后调试阶段，一般不推荐使用。