(5)电磁干扰抑制--屏蔽

1、电磁干扰防护与电磁兼容设计电磁干扰防护与电磁兼容设计屏屏 蔽蔽电磁驱动与控制研究所电磁驱动与控制研究所接地接地 引言引言2 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理3 理想屏蔽体屏蔽效能的计算理想屏蔽体屏蔽效能的计算4 不完整屏蔽对屏蔽效果的影响不完整屏蔽对屏蔽效果的影响5 屏蔽体的设计屏蔽体的设计6 电子装置组合系统举例电子装置组合系统举例1引言引言船舶电力推进系统船舶电力推进系统 电磁兼容设计应达到如下目的：电磁兼容设计应达到如下目的：u 通过优化电路和结构方案的设计，将干扰源本身产生的耦通过优化电路和结构方案的设计，将干扰源本身产生的耦合减弱到能够接受的程度。合减弱到能够接受的程度。u 通过各种干扰

2、抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的耦通过各种干扰抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到能够接受的程度。合减弱到能够接受的程度。屏屏蔽蔽的的技技术术分分类类屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理电电场场屏屏蔽蔽的的基基本本原原理理屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理磁磁场场屏屏蔽蔽的的基基本本原原理理（1）采用高导磁材料的屏蔽体进行磁屏蔽）采用高导磁材料的屏蔽体进行磁屏蔽u 噪声源用一个由高导磁的磁场屏蔽体密封起来。噪声源用一个由高导磁的磁场屏蔽体密封起来。u 如需开狭缝，狭缝不能切断磁路，只能与磁通方向一致如需开狭缝，狭缝不能切断磁路，只能与磁通方向一致u 该方法只能屏蔽直流磁场或低频磁场该方法只能屏

3、蔽直流磁场或低频磁场u 应用时要考虑饱和问题应用时要考虑饱和问题（2） 采用反向磁场抵消的办法采用反向磁场抵消的办法u 外部屏蔽体是非导磁的金属外部屏蔽体是非导磁的金属u 流经的电流大小相等、方向相反流经的电流大小相等、方向相反u 总的噪声磁场强度为零总的噪声磁场强度为零u 适应高频及利用屏蔽电缆实现磁屏蔽的场合适应高频及利用屏蔽电缆实现磁屏蔽的场合u 屏蔽体应为良导电体屏蔽体应为良导电体（3）高频磁场的涡流效应）高频磁场的涡流效应u 高频磁场的作用，屏蔽体表面会产生电磁感应涡流，该涡流高频磁场的作用，屏蔽体表面会产生电磁感应涡流，该涡流 产生的磁场将抵消穿过该屏蔽原来的磁场产生的磁场将抵消穿

4、过该屏蔽原来的磁场 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 AB屏蔽体屏蔽体 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 界面界面介质介质1介质介质2H0HrE0ErHtEt界面界面1界面界面2阻抗阻抗1阻抗阻抗2阻抗阻抗1屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 界面界面1界面界面2阻抗阻抗1阻抗阻抗2阻抗阻抗1屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理当电磁波进入一种吸收介质时，电磁场当电磁波进入一种吸收介质时，电磁场强度会随着深入的距离按指数规律衰减。强度会随着深入的距离按指数规律衰减。

5、屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 H0Hr1Ht3Ht5Ht2Ht4Ht6电磁波的磁场分量多次反射电磁波的磁场分量多次反射 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 （3）辐射电磁场（远场）屏蔽效能与频率的关系）辐射电磁场（远场）屏蔽效能与频率的关系反射损耗反射损耗R，吸收损耗，吸收损耗A和多次反射损耗均与频率，屏蔽厚和多次反射损耗均与频率，屏蔽厚度，屏蔽层材料密切相关，下图给出一块度，屏蔽层材料密切相关，下图给出一块0.05mm厚的铜皮厚的铜皮对平面波屏蔽效能与频率关系曲线。对平面波屏蔽效能与频率关系曲线。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理对于完整的屏蔽体而言，除了对低频磁场以外，要达到对于完整的屏蔽体而言，除了

6、对低频磁场以外，要达到90db的屏蔽的屏蔽效能是毫不困难的。而事实上屏蔽体上会有门、盖、各种开孔、通效能是毫不困难的。而事实上屏蔽体上会有门、盖、各种开孔、通风孔、开关、仪表和铰链等，均会破坏屏蔽的完整性，使实际屏蔽风孔、开关、仪表和铰链等，均会破坏屏蔽的完整性，使实际屏蔽体的屏蔽效能降低。体的屏蔽效能降低。屏蔽材料本身固有的屏蔽效能与由这些缝隙、开孔引起的实际屏蔽屏蔽材料本身固有的屏蔽效能与由这些缝隙、开孔引起的实际屏蔽效能的下降相比，后者的影响要更为严重。屏蔽的不完整性对磁场效能的下降相比，后者的影响要更为严重。屏蔽的不完整性对磁场泄露的影响又常常比对电场泄露的影响严重。泄露的影响又常常比

7、对电场泄露的影响严重。 磁场泄漏主要与下列因素有关：开孔的最大线性尺寸，波阻抗，磁场泄漏主要与下列因素有关：开孔的最大线性尺寸，波阻抗，电磁波的频率等。电磁波的频率等。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理在需要窥视窗的屏蔽体结构中，常常采用薄膜屏蔽体在需要窥视窗的屏蔽体结构中，常常采用薄膜屏蔽体结构来代替玻璃夹层的金属屏蔽结构。这种结构通常结构来代替玻璃夹层的金属屏蔽结构。这种结构通常是在光学玻璃，有机玻璃或有机介质薄膜上真空蒸发、是在光学玻璃，有机玻璃或有机介质薄膜上真空蒸发、溅射或喷涂一层导电薄膜作为电磁屏蔽

8、层。为了保证溅射或喷涂一层导电薄膜作为电磁屏蔽层。为了保证透光率，薄膜厚度只有几微米，其表面方块电阻在几透光率，薄膜厚度只有几微米，其表面方块电阻在几欧到几百欧之间，薄膜常用的材料为铜、铝等。欧到几百欧之间，薄膜常用的材料为铜、铝等。薄膜屏蔽体对电场效能较大，对磁场效能较小。薄膜屏蔽体对电场效能较大，对磁场效能较小。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理屏蔽线和屏蔽电缆是各种电子装置中最为常用的两个屏蔽线和屏蔽电缆是各种电子装置中最为常用的两个屏蔽体之间的链接导线。为了保证柔软、易于弯曲，屏蔽体之间的链接导线。为了保证柔软、易于弯曲，其外层屏蔽层通常用多股金属丝编织而成。它是一个其外层屏蔽层通常用多股金

9、属丝编织而成。它是一个非完整的屏蔽体。典型的编织屏蔽体机构如下图。它非完整的屏蔽体。典型的编织屏蔽体机构如下图。它的屏蔽效能很难计算，通常依据实验测量确定。单层的屏蔽效能很难计算，通常依据实验测量确定。单层编织材料的效能大约在编织材料的效能大约在5060db之间，双层编织材料之间，双层编织材料可达可达8090dB.屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理u 首先要确定屏蔽设计所面临的电磁环境。例如，首先要确定屏蔽设计所面临的电磁环境。例如，欲屏蔽的主要电磁干扰源是什么？类型？高阻抗电欲屏蔽的主要电磁干扰源是什么？类型？高阻抗电场、低阻抗磁场还是平面波？场强、频率以及干扰场、低阻抗磁场还是平面波？场强、频率

10、以及干扰源与屏蔽体距离？源与屏蔽体距离？u 确定最易接受干扰电路的敏感度，以决定对完整确定最易接受干扰电路的敏感度，以决定对完整屏蔽体的屏蔽要求。屏蔽体的屏蔽要求。u 进行屏蔽体的结构设计，包括：开孔、屏蔽层数进行屏蔽体的结构设计，包括：开孔、屏蔽层数u 进行屏蔽完整性的工艺设计。其目的是保证各种进行屏蔽完整性的工艺设计。其目的是保证各种可能出现的非完整屏蔽窗口的屏蔽完整性。可能出现的非完整屏蔽窗口的屏蔽完整性。屏蔽体包括：屏蔽室、屏蔽电缆和大型设备的机壳，屏蔽体包括：屏蔽室、屏蔽电缆和大型设备的机壳，小到各种传感器的屏蔽壳体、电子元器件的屏蔽盒小到各种传感器的屏蔽壳体、电子元器件的屏蔽盒和机

11、内屏蔽线等。和机内屏蔽线等。屏蔽的结构设计是能否真正达到预想屏蔽效能的关屏蔽的结构设计是能否真正达到预想屏蔽效能的关键所在。许多具体的屏蔽工艺细节，主要靠设计者键所在。许多具体的屏蔽工艺细节，主要靠设计者在实践中加以摸索和积累。在实践中加以摸索和积累。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理特别需要指出的是：通常手册中给出的磁性材料的磁导率，均是指在直流工作情况下，当频率增高时，磁导率将逐步下降。而特别需要指出的是：通常手册中给出的磁性材料的磁导率，均是指在直流工作情况下，当频率增高时，磁导率将逐步下降。而且，直流磁导率越高，随频率下降的越快。且，直流磁导率越高，随频率下降的

12、越快。几种常用磁性材料的磁导率与频率的关系几种常用磁性材料的磁导率与频率的关系由于磁性材料的磁导率与工作频率相关，在设计磁屏蔽时，必须要考虑工作频率，仔细选择最为适合的磁屏蔽材料。由于磁性材料的磁导率与工作频率相关，在设计磁屏蔽时，必须要考虑工作频率，仔细选择最为适合的磁屏蔽材料。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理在使用磁性材料时，要注意：在使用磁性材料时，要注意：u磁导率与工作磁场强度的关系，由于磁饱和的关磁导率与工作磁场强度的关系，由于磁饱和的关系，磁场太强时，磁导率会下降。最好采用多层屏系，磁场太强时，磁导率会下降。最好采用多层屏蔽。蔽。u加工高磁导率材料的过程中，各种机械应力会导加工高磁导率

13、材料的过程中，各种机械应力会导致磁导率明显下降，应避免过度机械加工，且适当致磁导率明显下降，应避免过度机械加工，且适当热处理。热处理。对应低频磁场的屏蔽比较困难。对电力电子装置设计，装置功率很大，工作频率较低，低频磁场场强很大，屏蔽较为困难。对应低频磁场的屏蔽比较困难。对电力电子装置设计，装置功率很大，工作频率较低，低频磁场场强很大，屏蔽较为困难。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理对应低频磁场的屏蔽比较困难。对电力电子装置设计，装置功率很大，工作频率较低，低频磁场场强很大，屏蔽较为困难。对应低频磁场的屏蔽比较困难。对电力电子装置设计，装置功率很大，工作频率较低，低频磁场场强很大，屏蔽较为困难。左图为

14、几种不同材料的金属板在近场中左图为几种不同材料的金属板在近场中它们的磁屏蔽能力与材料厚度和工作频它们的磁屏蔽能力与材料厚度和工作频率关系的实验曲线。率关系的实验曲线。在在1k以下，以下，Ni-Fe合金具有最好屏蔽能合金具有最好屏蔽能力；在力；在10 kH钢具有最好的屏蔽能力；而钢具有最好的屏蔽能力；而在在100kH 铜具有最好的屏蔽能力。铜具有最好的屏蔽能力。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理单层屏蔽结构与多层屏蔽结构单层屏蔽结构与多层屏蔽结构对于屏蔽体效能的设计要求，尽量用单层、完整结构；如不行，考虑用多层。对于屏蔽体效能的设计要求，尽量用单层、完整结构；如不行，考虑用多层。对于朔料外壳的机箱，为

15、了防止电磁波的辐射或壳外的电磁波干扰，一般是在壳体内黏贴对于朔料外壳的机箱，为了防止电磁波的辐射或壳外的电磁波干扰，一般是在壳体内黏贴一层或几层金属箔（通常是钢箔或铝箔），接缝处必须用导电粘合剂或混有金属微粒的粘合剂。一层或几层金属箔（通常是钢箔或铝箔），接缝处必须用导电粘合剂或混有金属微粒的粘合剂。并要保证良好接地。也可在粘结不方便时，采用导电金属涂料或金属喷涂。并要保证良好接地。也可在粘结不方便时，采用导电金属涂料或金属喷涂。目前国外正致力于导目前国外正致力于导电朔料的研制，在电朔料的研制，在ABS中添加的不中添加的不锈钢纤维，制成锈钢纤维，制成3mm厚的导电朔料，这种厚的导电朔料，这种导

16、电朔料在导电朔料在301000MHz范围内范围内屏蔽效能可达屏蔽效能可达60db.屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理单层屏蔽结构与多层屏蔽结构单层屏蔽结构与多层屏蔽结构多层屏蔽结构是各单层屏蔽结构的效能之和。设计多层的原则为：多层屏蔽结构是各单层屏蔽结构的效能之和。设计多层的原则为：u 各层之间不能有电气联系。各层之间不能有电气联系。u 合理安排各层的材料合理安排各层的材料u 磁性材料尽量不开口磁性材料尽量不开口u 注意开口方位，保证涡流的均匀分布。注意开口方位，保证涡流的均匀分布。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理 屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）电缆连接器的屏蔽（）电缆连接器的屏蔽屏蔽体与其外围电路通

17、常需要用电缆线相连，为了保证屏蔽体的屏蔽完整性，必须使用电屏蔽体与其外围电路通常需要用电缆线相连，为了保证屏蔽体的屏蔽完整性，必须使用电缆连接器。连接器的插座和电缆插头必须与屏蔽体构成无缝隙的屏蔽体。其结构示意图如缆连接器。连接器的插座和电缆插头必须与屏蔽体构成无缝隙的屏蔽体。其结构示意图如下。下。为了控制地电流，电缆的屏蔽层只在特定的接地端接地。在屏蔽体的电缆连接器处，电缆为了控制地电流，电缆的屏蔽层只在特定的接地端接地。在屏蔽体的电缆连接器处，电缆的屏蔽层应与其外壳四周均匀良好的焊接或紧密地压在一起，保证插座与插头四周保持均的屏蔽层应与其外壳四周均匀良好的焊接或紧密地压在一起，保证插座与插

18、头四周保持均匀的良好接触，力求没有缝隙泄漏。匀的良好接触，力求没有缝隙泄漏。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）变压器的屏蔽（）变压器的屏蔽u 变压器的静电屏蔽变压器的静电屏蔽电网中出现的各种噪声（如雷击、浪涌、跌落等引起的噪声）都会进入电源变压器，通过电网中出现的各种噪声（如雷击、浪涌、跌落等引起的噪声）都会进入电源变压器，通过初级和次级绕组之间的分布电容耦合到电子线路中。即使变压器密封在一个屏蔽盒中，初级和次级绕组之间的分布电容耦合到电子线路中。即使变压器密封在一个屏蔽盒中，也会引入噪声，破坏了屏蔽体的完整性。也会引入噪声，破坏了屏蔽体的完整性。初级、次级间的分布电容可达数百皮法。解决这一问题

19、的方法是在变压器初级和次级间架初级、次级间的分布电容可达数百皮法。解决这一问题的方法是在变压器初级和次级间架一个静电屏蔽层，一个静电屏蔽层，C1 和和C2分别为初级绕组和次级绕组与静电屏蔽层之间的分布电容分别为初级绕组和次级绕组与静电屏蔽层之间的分布电容Cs为初级和次级之间的漏电容，为初级和次级之间的漏电容，Z为接地层接地阻抗。理想的静电屏蔽应当为为接地层接地阻抗。理想的静电屏蔽应当为Cs ，Z变压器静电屏蔽层的具体做法是：在绕制完初级后包上一层变压器静电屏蔽层的具体做法是：在绕制完初级后包上一层0.020.03mm厚的薄铜皮，铜厚的薄铜皮，铜皮的始端和末端有皮的始端和末端有35mm的重叠（重

20、叠部分必须相互绝缘）。为了保证静电屏蔽效能，的重叠（重叠部分必须相互绝缘）。为了保证静电屏蔽效能，关键从工艺设计上尽力减小漏电容和接地电阻。关键从工艺设计上尽力减小漏电容和接地电阻。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）变压器的屏蔽（）变压器的屏蔽u 多层屏蔽变压器多层屏蔽变压器双层屏蔽隔离变压器双层屏蔽隔离变压器双层屏蔽隔离变压器的结构原理图如右。它双层屏蔽隔离变压器的结构原理图如右。它的初级和次级线圈匝数比为的初级和次级线圈匝数比为1:1，分别绕制在，分别绕制在环形铁心的两臂，并分别设置各自独立的静环形铁心的两臂，并分别设置各自独立的静电屏蔽层，铁心及两个屏蔽层均应良好接地。电屏蔽层，铁心及两个

21、屏蔽层均应良好接地。但是这种结构的变压器的漏感较大，这种具但是这种结构的变压器的漏感较大，这种具有较好静电屏蔽功能的变压器是以牺牲电源有较好静电屏蔽功能的变压器是以牺牲电源变压器的常规指标为代价的。变压器的常规指标为代价的。表中给出在不同的接法时，对分布电容表中给出在不同的接法时，对分布电容的影响。的影响。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）变压器的屏蔽（）变压器的屏蔽u 多层屏蔽变压器多层屏蔽变压器三层屏蔽隔离变压器三层屏蔽隔离变压器三屏蔽电源变压器的屏蔽层接地示意图，初级线圈单独静电屏蔽层，与贴心同时接机壳及安全地，三屏蔽电源变压器的屏蔽层接地示意图，初级线圈单独静电屏蔽层，与贴心同时接机壳及

22、安全地，而次级线圈具有双重静电屏蔽层。内层接仪器主电路的信号地，外层姐仪器的内屏蔽罩。接测量而次级线圈具有双重静电屏蔽层。内层接仪器主电路的信号地，外层姐仪器的内屏蔽罩。接测量电缆的屏蔽层，广泛应用于高精度、高性能数字测量仪器中。初级、次级间漏电容可在几皮法一电缆的屏蔽层，广泛应用于高精度、高性能数字测量仪器中。初级、次级间漏电容可在几皮法一下，整机的共模抑制比可达下，整机的共模抑制比可达140db.屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）变压器的屏蔽（）变压器的屏蔽u 多层屏蔽变压器多层屏蔽变压器多层屏蔽变压器。噪声隔离变压器主要适应于下列一些特殊情况：多层屏蔽变压器。噪声隔离变压器主要适应于下列一

23、些特殊情况：u 系统本身是很强的噪声源，不允许噪声传导到电网中。系统本身是很强的噪声源，不允许噪声传导到电网中。u 由于现场要求或人身安全，系统的机壳不允许接地，而系统仍要具有较高的共模噪声抑制比，由于现场要求或人身安全，系统的机壳不允许接地，而系统仍要具有较高的共模噪声抑制比，而电源输入端又不允许使用电源而电源输入端又不允许使用电源EMI滤波器的场合。滤波器的场合。u 电网中存在着频谱很宽的噪声或非常严重的低频共模干扰。电网中存在着频谱很宽的噪声或非常严重的低频共模干扰。这种变压器有多种结构方案，属于专利技术，根据它的应用场合不同，有相应不同的接线方式。这种变压器有多种结构方案，属于专利技术

24、，根据它的应用场合不同，有相应不同的接线方式。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）变压器的屏蔽（）变压器的屏蔽u 变压器和电抗器漏磁场的屏蔽变压器和电抗器漏磁场的屏蔽 变压器和电抗器的漏磁通，成为系统内主要磁场噪声源的根源，特别在电力电子装置中，流变压器和电抗器的漏磁通，成为系统内主要磁场噪声源的根源，特别在电力电子装置中，流过变压器和电抗器的电流通常都很大，有时频率也很高，漏磁通产生的噪声磁场强度很强。过变压器和电抗器的电流通常都很大，有时频率也很高，漏磁通产生的噪声磁场强度很强。在考虑它们的在考虑它们的EMC设计归结为：设计归结为：一是磁性材料的正确选择，变压器初级、次级线圈结构及绕制方法的详

25、细安排，力求减小变一是磁性材料的正确选择，变压器初级、次级线圈结构及绕制方法的详细安排，力求减小变压器本省的漏磁通。二是通过变压器的磁屏蔽设计，将漏磁通对周围电子电路的影响减到压器本省的漏磁通。二是通过变压器的磁屏蔽设计，将漏磁通对周围电子电路的影响减到最小。最小。变压器在线包轴线方向变压器在线包轴线方向的漏磁通密度最大，铁的漏磁通密度最大，铁心方向面积最小。各方心方向面积最小。各方向的漏磁场强度与距离向的漏磁场强度与距离的平方成反比。的平方成反比。对电抗器，漏磁通更为对电抗器，漏磁通更为严重，这是因为电力电严重，这是因为电力电子装置电抗器往往有相子装置电抗器往往有相当大的直流电流分量，当大的

26、直流电流分量，为了防止饱和，贴心磁为了防止饱和，贴心磁路中有一定气隙，这样路中有一定气隙，这样漏磁更严重。漏磁更严重。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理（）变压器的屏蔽（）变压器的屏蔽u 对于工作在高频的变压器和电抗器，主要采用高导电率的金属材料实现屏蔽，即在线包和对于工作在高频的变压器和电抗器，主要采用高导电率的金属材料实现屏蔽，即在线包和铁心的外面包上一层铜皮作为漏磁通的短路环。漏磁通在铜皮中产生涡流，依靠涡流产生铁心的外面包上一层铜皮作为漏磁通的短路环。漏磁通在铜皮中产生涡流，依靠涡流产生的反磁场抵消部分漏磁通。的反磁场抵消部分漏磁通。u 对于低频漏磁通，则应采用磁性材料旁路漏磁通的原理实现磁

27、屏蔽。一般情况下，可在变对于低频漏磁通，则应采用磁性材料旁路漏磁通的原理实现磁屏蔽。一般情况下，可在变压器或电抗器的侧面包一层薄铁板进行磁屏蔽。薄铁板应与铁心保持电气上的绝缘，确保压器或电抗器的侧面包一层薄铁板进行磁屏蔽。薄铁板应与铁心保持电气上的绝缘，确保薄铁板中仅旁路漏磁通。薄铁板中仅旁路漏磁通。屏蔽的基本原理屏蔽的基本原理其它各种非完整屏蔽窗口屏蔽结构设计其它各种非完整屏蔽窗口屏蔽结构设计u 窥视窗的屏蔽结构窥视窗的屏蔽结构 窥视窗可以采用薄膜屏蔽体结构（如导电玻璃）或玻璃夹层金属屏蔽网结构，考虑窥视窥视窗可以采用薄膜屏蔽体结构（如导电玻璃）或玻璃夹层金属屏蔽网结构，考虑窥视窗屏蔽结构时，要注意保持窥视窗的导电金属层要与屏蔽体保持良好的电气上的连续性，窗屏蔽结构时，要注意保持窥视窗的导电金属层