介紹

在當(dāng)今充斥著數(shù)字電子設(shè)備的世界中，電磁干擾 （EMI） 是軍事和商業(yè)市場的主要關(guān)注點(diǎn)。電氣設(shè)備由于它們的存在而容易受到這些不良輻射和故障的影響。

降低 EMI 的最簡單、最具成本效益的方法是盡可能首先在板級進(jìn)行攻擊。鑒于當(dāng)今電路的復(fù)雜性日益增加，印刷電路板 （PCB） 布局很少能完全解決 EMI 問題;因此，板級屏蔽已成為大多數(shù) PCB 設(shè)計(jì)人員的要求。

EMI 基礎(chǔ)知識和板級屏蔽設(shè)計(jì)

當(dāng)電磁波沿電子設(shè)備的方向傳播，然后擾亂該電氣元件的運(yùn)行時，就會發(fā)生輻射 EMI。

電磁波由電場（E）和磁場（H）組成，E與H的比值（E/H）稱為波阻抗 （Z）。對于空氣或自由空間，Zo = 377 Ω。阻抗低于此值的電磁波主要是磁性的，而阻抗高于該值的電磁波主要是電性的。

使用板級屏蔽進(jìn)行 EMI 屏蔽意味著使用金屬罐（也稱為法拉第籠）將電子電路封裝在 PCB 上。這反過來又會限制來自外部環(huán)境的 EMI 輻射量，這些輻射可能會破壞 PCB 元件，并減輕電路產(chǎn)生的 EMI 能量逃逸到外部環(huán)境中。

板級屏蔽的效率是根據(jù)屏蔽效果 （SE） 來衡量的，屏蔽效果是以分貝 （dB） 表示的 EMI 衰減量。

如圖 1 所示，當(dāng)電磁波與屏蔽材料接觸時，一些能量被反射，一些被吸收到屏蔽材料中，還有一些能量穿過材料。因此，EMI 屏蔽的總屏蔽效果基于反射和吸收損耗的總和。

圖 1 ?屏蔽表面的電磁波

吸收損耗取決于屏蔽層的物理特性，與屏蔽層的厚度、相對磁導(dǎo)率、材料的導(dǎo)電性和電磁波的頻率成正比。

因此，具有高磁導(dǎo)率和導(dǎo)電性的厚壁屏蔽層在吸收損失方面將表現(xiàn)良好。當(dāng)需要抑制發(fā)射時，例如當(dāng)使用屏蔽層來防止電磁能從外殼中逸出時，吸收損耗至關(guān)重要;見圖 2。

圖 2 EMI 保護(hù)與 EMI 抑制

另一方面，當(dāng) PCB 元件要受到外部來源的影響時，反射損耗很重要。反射損耗取決于電磁波阻抗與 EMI 屏蔽材料阻抗之間的相對不匹配。

如果電磁波的阻抗與 EMI 屏蔽層的阻抗不同，則電磁波將被部分反射回來。相反，如果屏蔽層和波的阻抗值緊密匹配，則能量將穿過屏蔽層。

需要注意的是，電為主的入射波（阻抗大于 377 Ω）具有高阻抗，而導(dǎo)電性較高的金屬具有低阻抗。因此，高導(dǎo)電性金屬對電為主波表現(xiàn)出高反射損耗。然而，對于具有低阻抗（小于 377 Ω）的磁主導(dǎo)入射波，屏蔽層和波之間的阻抗失配最小;因此，產(chǎn)生的反射損失非常低。因此，吸收損耗對于屏蔽磁場至關(guān)重要。

圖3 隨材料、頻率和屏蔽厚度的吸收損失

圖4 材料和頻率的反射損失 （Gnecco， 2000）

圖3 和圖4 說明了使用不同材料的 EMI 屏蔽可以實(shí)現(xiàn)的理論吸收和反射損耗。

要使用圖 3，必須從EMI 屏蔽的已知厚度到所用材料之間畫一條線，然后必須從它與傳輸線相交的位置到入射電磁波的頻率處畫另一條線。

從圖 3 中可以明顯看出，對于給定的頻率，具有高磁導(dǎo)率材料（例如高磁導(dǎo)率鋼）的厚壁屏蔽層在吸收損耗方面將優(yōu)于由銅或黃銅制成的薄壁高導(dǎo)電屏蔽層。另一方面，圖 4 顯示，對于給定的頻率，高導(dǎo)電性材料（銅或黃銅）在反射損耗方面的性能將超過導(dǎo)電性較低的材料（高磁導(dǎo)率鋼或不銹鋼）。盡管圖 3 和圖 4 等概念工具有助于確定適合給定應(yīng)用的屏蔽材料，但它們并未考慮屏蔽設(shè)計(jì)中的孔徑。

EMI 屏蔽的性能受接縫和穿孔的影響很大，尤其是在處理較高頻率的電主導(dǎo)波時。電磁波的頻率越高，其波長越短，就越有可能通過 EMI 屏蔽中的任何開口逃逸。因此，在設(shè)計(jì)外殼時，最小化孔徑以減少潛在的 EMI 泄漏點(diǎn)并最大限度地提高孔徑附近的設(shè)計(jì)質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)整體性能和長期可靠性至關(guān)重要。

電磁能通過孔徑傳播而不被衰減的頻率稱為截止頻率 （fc）。

· 高于 fc 的頻率將自由傳播。

· 低于 fc 的頻率會衰減。

以下公式演示了如何計(jì)算截止頻率：fc=c /λc，其中：

· c = 光速 （m/s）

· λc= 截止波長 （m）

· fc= 截止頻率 （Hz）

λc為：

· 圓形孔徑：λc=3.412r ;其中r = 孔徑半徑（m）;

· 矩形孔徑：λc=2a ;其中a= 孔徑的最長尺寸（m）。

除了知道截止頻率之外，在任何應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)出色 EMI 屏蔽效果的良好經(jīng)驗(yàn)法則是保持每個孔徑尺寸不大于被衰減電磁波的 1/20 波長，并以孔徑尺寸小至 1/50 波長為目標(biāo)。

下面的表1是一個有用的資源，其中列出了頻率采樣、它們相應(yīng)的波長以及基于1/20 和 1/50波長的推薦最大孔徑大小。

表1 頻率-波長表

正確設(shè)計(jì)EMI板級屏蔽至關(guān)重要，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，甚至可以消除對整體外殼級屏蔽的需求。許多 EMI 屏蔽制造商都提供了全套工具、標(biāo)準(zhǔn)、低成本的現(xiàn)成選項(xiàng)。因此，在初始 PCB 設(shè)計(jì)期間規(guī)劃和設(shè)計(jì)使用板級屏蔽以利用這些選項(xiàng)是一個好主意。

參考文獻(xiàn)

1. Gnecco, Louis T. 2000. The Design of Shielded Enclosures: Cost Effective Methods to Prevent EMI. Woburn, MA: Butterworth-Heinemann.

2. Tong, Xingcun Colin. 2008. Advanced Materials and Design for Electromagnetic Interference Shielding. Boca Raton, FL: CRC Press.

3. Weibler, Joseph. 1993. Properties of Metals Used for RF Shielding, EMC Test & Design.