EMC(电磁兼容性)结构设计基础

EMC(电磁兼容性)结构设计基础1.EMC(电磁兼容性)概括1.1电子系统的电磁兼容性EMC(电磁兼容性)技术的早期不过考虑对无线电通信、广播有影响的射频搅乱。跟着搅乱源范围的扩大及电磁能量应用形式的增加，电磁骚扰不在限制于辐射，还要考虑感觉、耦合和传导等惹起的电磁搅乱。电磁搅乱除影响电子系统和设备的正常工作外，对人体健康也会造成有害的影响。电磁兼容性定义电磁兼容性研究中常常波及以下术语a.电磁骚扰与电磁搅乱-----电磁骚扰是指任何可能惹起器件、设备或系统性能降低的电磁现象，电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或流传媒介自己的变化；电磁搅乱重申的是电磁骚扰现象所造成的结果。平时人们不予严格区分，统称为电磁搅乱（EMI）.b.抗搅乱度与电磁敏感度------抗搅乱度是指存在电磁骚扰的状况下，器件、设备或系统性能不降低条件下的正常运行能力；敏感度衡量的是电子设备或分系统对电磁环境所表现的不希望有响应程度。敏感度阈值越小，抗扰度越差。多用电磁敏感度表示（EMS）C.电磁兼容性------器件、设备或系统在所处电磁环境中优异运行，并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。EMC涵盖了EMI、EMS双方面。为实现系统内设备互不搅乱、兼容运行，既要控制骚扰源的电磁发射，又要提高受骚扰对象的抗扰度。1.2电磁搅乱三因素任何一对复杂系统或装置之间的电磁骚扰和响应过程，均可简化为用辐射发射和传导发射来描述骚扰源；用辐射抗扰度和传导抗扰度来描述感觉器。能否造成危害，还受耦合门路的限制。1).骚扰源骚扰源可分为自然骚扰源和人为骚扰源a.自然骚扰源包含地球上各处的雷雨、闪电产生的天电噪声，太阳黑子爆炸和活动产生的噪声以及银河系的宇宙噪声。b.人为骚扰是由机电或其余人工装置产生的电磁骚扰，骚扰源包含：各种无线电发射装置、各种射频设备；高压设备、家用电器等等。跟着科技的进步人为骚扰源会愈来愈多。c.静电当两种介电常数不同的绝缘资料直接接触,特别是相互摩擦时,二者间会发生电荷的转移而各自带有不同的电荷,这种现象称为静电充电.人体相同也会发生静电充电,天气愈干燥,感觉的电荷量愈大.一般人体的充电电压可达20KV,当带有静电高压的人员涉及电子设备时,就会发生放电现象,放电火花产生的电磁搅乱会使电子系统失灵或发生故障.除去静电危害宜采纳以下措施:采用导电纤维编织的地毯或抗静电地板;操作人员衣着防静电工作服和工作鞋,并戴上接地的导电手镯;把空气的相对湿度增加到60％--70％,借助加大潮气的含量来增加绝缘资料的导电率,防范静电积累.将系统或设备内所有的金属构件用导电条连结起来,除去系统中任何两个金属物体之间由静电感觉而惹起的电位差.2).电磁骚扰的流传a.传导搅乱沿电源线或信号线传输的电磁骚扰称为传导搅乱.电子系统内各单元电路之间存在各种连线,如电源线、信号互连线及公共地线等，就有可能使一个设备的电磁能量沿着这种导线传输到毗邻设备和单元电路，造成搅乱。b.辐射搅乱辐射搅乱是指经过空间传导的电磁骚扰。骚扰源的电路、输入输出信号电路和控制电路的导线在必定条件下都可构成辐射天线，当骚扰源的外壳流过高频电流时，外壳自己也就成为辐射天线。3）电子设备电磁兼容性设计的基本要求a.优化信号设计传输信息的电信号需要占用必定的频谱。为尽量减小搅乱，对实用信号应规定必需的最小占用带宽，这有赖于优化信号波形。b.完美线路设计应设计和采用自己发射小、抗搅乱能力强的电子线路作为电子设备的单元电路。C.障蔽用障蔽体将搅乱源包封起来，能够防范搅乱电磁场经过空间向外流传；反之，用障蔽体将感觉器包封，即可以使感觉器免受外界空间电磁场的影响。障蔽技术固然能有效地阻断电磁搅乱的流传通道，但是它又可能使设备的通风散热困难、维修不便，并以致重量、体积和成本的增加。所以应采用合理的措施，以最正确的效/费比来满足电磁兼容性的要求。d.接地与搭接不论能否与大地有实质连结，只需为电源和信号电流供应了回路和基准电位，就通称为接地。电子设备接地是克制噪声和防范搅乱的重要措施之一。设计中如能周密设计地线系统，综合使用接地、滤波和障蔽等措施，常常可事半功倍，有效地提高设备的电磁兼容性。e.滤波滤波是借助克制元件将实用信号频谱以外不希望经过的能量加以克制。它既能够克制搅乱源的发射，又能够克制搅乱源频谱重量对敏感设备、电路或元件的影响。滤波虽能十分有效地克制传导搅乱，但制造大容量、宽频带的抗电磁搅乱滤波器的代价特别昂贵。f.合理布局合理布局包含系统设备内各单元之间的相对地点和电缆走线等，其基本源则是使感觉器和搅乱源尽可能远离，输入与输出端口妥当分开，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设。经过合理布局能使相互搅乱减小到最小程度而又花费不多。2.EMC(电磁兼容性)的障蔽设计概括：用导电或导磁资料制成的用以克制电场、磁场及电磁场搅乱的盒、壳、板和栅、网、管等称为障蔽。障蔽有两个目的，一是限制内部的辐射电磁能量泄漏，二是防范外来的辐射搅乱进入某一地区。依据其克制功能的不同，障蔽可分为：电障蔽---对静电场或交变电场的障蔽磁障蔽---对恒磁场或交变磁场的障蔽电磁障蔽---对电磁场的障蔽2.1电场障蔽a.原理---电场的障蔽是在搅乱源和敏感单元之间设置优异接地的金属屏障,即可以克制搅乱源电场对敏感单元的影响.b.电障蔽的设计重点1)障蔽体一定优异接地---接地电阻一般应小于2mΩ,严格的场合应小于0.5mΩ.为减小接地电阻,可采用横截面和周长较大的导线.为减小接地线的感抗,要尽量减少导线的长度.2)正确选择接地址---障蔽体的接地址应凑近被障蔽的低电平元件的入地址,防止低电平电路的地线流过较大的地电流.3)合理设计障蔽体的形状---用全封闭的盒体最好.4)选择导电性能好的导体做障蔽体,如铜、铝等。高频时，障蔽体表面镀银。c.电场障蔽的结构1)单层盖结构---障蔽体用单层盖的障蔽盒,为减少盒体与盒盖的接触电阻应尽量增加盒体与盒盖间的接触面积.2)双层盖结构---采用双层障蔽盖结构能够进一步提高障蔽的效能.此时盒体的内表面与内障蔽盖构成一个障蔽盒,而盒体的表面面与外层障蔽盖又构成了另一个障蔽盒.所以,能够大大提高障蔽成效.3)障蔽盒的共盖和分盖结构---在有隔板的障蔽盒体内采用分开的障蔽盖,能够减少此间的寄生耦合电容.分开的障蔽盖结构的障蔽成效优于一个障蔽盖的结构.为提高共盖结构的障蔽成效,应尽量减小盖子与隔板之间电连结的缝隙.4)印制导线障蔽---单面印制电路板,在信号线之间设置接地的印制线可起障蔽作用.双面印制电路板,除在信号线之间设置接地线以外,其反面的铜箔也接地.2.2磁场障蔽---磁场的频率不同,采纳的磁障蔽原理也不同.a.低频磁场的障蔽1)原理---恒磁场或低频交变磁场(f＜100Hz)的障蔽方法是采用高磁导率的铁磁资料进行磁分路.因为铁磁性资料的磁导率比空气的磁导率大的多,所以铁磁性资料的磁阻很小.将铁磁性资料置于磁场中时,磁通主要经过铁磁性资料,而经过空气的磁通将大为减小,从而起到磁场障蔽的作用.2)低频磁障蔽的设计重点---选择相对磁导率高的资料做障蔽体---被障蔽元件和障蔽盒之间应选择适合的空隙（被障蔽元件与障蔽盒之间越大,有利于提高障蔽成效.但是,空隙过大,将是障蔽盒变大,给结构设计带来困难,同时也增加了成本.）---选择足够的障蔽盒厚度（增大壁厚有利于减小磁阻,使得磁分路成效更为明显,但壁厚的大小还应试虑成本、制造工艺、结构尺寸等因素。）---注意障蔽盒的安装方向（对于横截面为矩形的障蔽盒，安装时应使其长边平行于磁感线方向）3）低频磁场障蔽的结构设计---减小障蔽盒接缝的磁阻（障蔽盒多为钣金制作，盒体的接缝处存在必定的空隙，盒与盖之间也有空隙，这些都会增大磁阻。为了减小障蔽盒〈盖〉接缝处的磁阻，对较薄的板材〈0.8MM〉能够采用翻边卷口连结；对较厚的板材〈0.8—2.5MM〉能够采用搭接点焊、铆接和用导磁资料蜜焊，其搭接高度不小于8MM；为增大盒体与盒盖的套入深度〈一般不大于10MM〉，并用螺钉连结以减小接缝磁阻。---障蔽盒接缝地点应平行于磁场（当磁场垂直于障蔽盒的接缝时，接缝切断磁感线，磁通流经接缝处会碰到较大的磁阻。若磁场平行于接缝，则磁阻较小。要做到此，第一在结构设计时就要安排好接缝的地点。二是要在安装时注意接缝的地点不要影响磁路。）---正确部署障蔽盒上的通风孔和接线孔（障蔽盒上开通风孔、接线孔时，应注意其尺寸大小和方向布局，要求尽量少地削弱导磁截面积，不增加导磁回路的长度，即尽量减小障蔽体的磁阻。）---双层磁障蔽（要获取高的障蔽成效，常常采用高磁导率资料和增加资料厚度的方法，但是，采用高磁导率资料和增加资料厚度都是有限度的，此时，能够采用双层磁障蔽结构。）b.高频磁场的障蔽1)原理---高频交变磁场指的是高频电磁场中的磁场重量,利用电磁感觉现象在障蔽体表面产生的涡流的反磁场来达到高频磁场障蔽的目的,也就是利用涡流反磁场对原搅乱磁场的排斥作用,来克制或抵消障蔽体外的磁场.2)高频磁障蔽的结构设计重点---选择相对电导率高的资料做障蔽体.障蔽盒的电阻越小,产生的涡流越大.---因为高频电流的集肤效应,涡流仅在障蔽体的表面薄层流过,而障蔽体内层被表面涡流障蔽,所以高频磁障蔽盒无需做的很厚,一般取0.2-0.8MM.---障蔽盒在垂直于涡流方向不该开孔或有缝隙.在垂直与涡流的方向开孔或有缝隙,将切断涡流,削弱反磁场对原搅乱磁场的抵消作用,使障蔽成效变差.若缝隙和开孔沿着涡流方向,则对障蔽成效的影响较小.一般障蔽盒上的缝隙和开孔尺寸不大于原磁场波长的1/50---1/100.---障蔽盒能否接地不影响磁障蔽成效.但是接地,则此障蔽盒同时拥有电场障蔽和磁场障蔽的作用.2.3电磁场的障蔽a.电磁场的障蔽原理利用导电优异的障蔽资料,如铝板、铝箔、铜板、铜箔或在塑料机箱上镀镍或铜，利用它们对搅乱电磁波的反射、汲取和多次反射作用，衰减搅乱电磁场的能量，达到障蔽成效。b.设计重点---采用高导电率资料---依照电磁场的障蔽原理合理确定尺寸和结构形式---即使障蔽物的壁厚很小也可获得较好的障蔽成效，故确定障蔽物资料的厚度时，主要考虑其工艺性和结构强度c.电磁场的障蔽结构电磁障蔽是对电磁波的障蔽，其对障蔽资料的性能要求与静电障蔽相同，都是高导电体。但是静电障蔽的重点要求障蔽体一定接地。而影响障蔽体电磁障蔽效能的不是障蔽体能否接地，而是障蔽体导电的连续性。电磁障蔽对障蔽体的导电性能要求比静电障蔽高的多。障蔽结构可分为:障蔽格结构、独立障蔽盒结构、双层障蔽结构。1）缝隙结构---障蔽盒的接缝是电磁波的泄漏源。解决的方法是在缝隙处使用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性资料，它能够保持缝隙处的导电的连续性。电磁密封衬垫能够是导电的金属网、银粉导电橡胶等。此刻又出现了一些新的导电资料，如导电胶、导电腻子、导电润滑脂等。2）孔洞结构机箱上散热孔、观察孔和穿过机箱的电缆也是造成机箱障蔽效能下降的主要原因。机箱上张口惹起的电磁泄漏与张口的尺寸、辐射源的特征和辐射源到张口的距离有关。经过适合地设计张口尺寸和辐射源到张口的距离能够满足障蔽的要求。---在孔面积相同时，长方形孔泄漏最大而圆形孔泄漏最小。所以要少开长方形孔洞。实践证明，当孔隙、缝隙的最大线形尺寸等于搅乱源半波长的整数倍时，孔缝的电磁泄漏最大，所以一般要求孔隙、缝隙的最大线形尺寸小于λ/10—λ/100.---为减少感觉涡流流动的电阻，所开空洞切口应顺着感觉涡流流动的方向并使涡流均匀分布。---安装高频线圈障蔽盒时，应使接缝不切断涡流。---孔缝泄漏的大小主要取决于孔的面积、孔截面上的最大线形尺寸、电磁波频率及孔的深度。对于一定存在的大孔，应采用安装金属网等方法，减少泄漏。2.4克制电磁搅乱的工程措施a.接缝的障蔽1)永久性接缝的障蔽---障蔽体上的永久缝隙应用焊接工艺密封,如熔焊和钎焊.详细实行时用搭焊和对焊.用镀锌铁皮制成的障蔽体常用翻边咬合式接缝,它能够有效地取代焊接形式的焊缝.若用电焊,焊点间距不宜超出5CM.2)非永久性接缝的障蔽---在接缝处加入由导电橡胶、金属簧片等资料制成的既拥有必定弹性，又拥有优异导电特征，同时还可填补缝隙的导电衬垫，保持了两个界面间的电连续性，从而大大提高了机箱的障蔽成效。b.导电衬垫导电衬垫是特地用于克制机箱缝隙电磁泄漏的专用障蔽资料,也是目前最宽泛的一类障蔽资料,导电衬垫可分为导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、梳形簧片衬垫、定向金属导电橡胶和拥有金属镀层的聚氨脂泡沫衬垫六种种类。导电衬垫应具备以下的基本要求:---导电衬垫应拥有足够的弹性和厚度---导电衬垫的导电资料应有高的电导率.---导电衬垫的导电资料应拥有耐腐化性,并与障蔽体两配合面资料的电化学性能相容,防范导电衬垫与金属配接面发生电化学腐化.---导电衬垫中的弹性资料在障蔽体工作温度下的压缩变形和寿命要吻合要求.c.导电胶带1)电磁障蔽胶带---障蔽胶带是由带有铜箔或铝箔等高导电性资料的导电布,附上导电胶构成的不干胶带，主要用于缝隙的障蔽和电缆障蔽层的端接，胶带能够直接粘贴在有EMI泄漏的缝隙处，使用方便。使用时粘贴好胶带后，要用力碾压多次，这样才能使金属箔与另一部分金真实现优异电接触,保证障蔽体的导电连续性,达到最正确障蔽成效.2)导电法兰保护胶带---障蔽体表面需要喷漆时,在接合面处贴上此胶带,喷完漆后将胶带上的覆盖物揭下,裸露出导电性、耐腐化性好的表面，便于电磁障蔽衬垫与金属基体导电连通，使用这种资料能够防止对障蔽体的整体进行导电办理，从而降低成本。3）电缆障蔽缠带---电缆障蔽缠带可直接环绕在电缆表层，频率为100kHz---1GHz时，障蔽效能可达40---60dB.障蔽缠带的端头能够用焊接、导电胶粘接、金属卡与连结器压接等三种接地方式。d.通风窗口的电磁障蔽通风冷却孔泄漏的克制能够采用以下三种方法1）将金属丝网覆盖在大面积的通风口上，能明显地防范电磁泄漏。金属丝网结构简单，成本低，通风量大，合用于障蔽要求不太高的场合。假如频率大于200KHz时，其障蔽效能将明显下降。2）环境条件较好时采用穿孔铝箔金属板进行障蔽。在满足通风量要求的条件下，障蔽体应以多个小圆孔取代大孔。因为不存在金属丝网网栅交点接触不稳固的缺点，其障蔽效能比较稳固。这种产品的价钱低，但强度差，易破坏。若环境恶劣，则可使用铜或钢制蜂窝板覆盖通风窗口，能够提高障蔽效能。这种产品的各方面性能优胜，