2022年电子产品结构设计中的电磁兼容性设计 .pdf

1电子产品结构设计中的电磁兼容性（EMC ）设计江苏省电子信息产品质量监督检验研究院胡寅秋1 引言随着科学技术的迅速发展，现代各种电子、电气、 信息设备及家用电器的数量和种类越来越多，性能越来越先进，其使用场合和数量密度也越来越高。这就使得电气电子系统内、设备内的相互干扰愈加严重。在这种情况下， 要保证设备在各种复杂的电磁环境中正常地工作，则在结构 设计阶段 就必须认真考虑电磁 兼容性设 计。2 电磁干扰方式电子设备 结构 设计中常 见的电磁干扰 方式主 要有：传导 干扰传导 干扰一般是指通过电源，电 缆，布线 系统， 接地系统 引起 的串扰。辐射 干扰在高 频情况下，电磁能量比较容易 产生辐射 。通常，在 MHz 以上 ，辐射 就较明显 ，当导线长 度超过四分之一波长时，辐射功率将很大。感应 及耦合引起 的干扰3 电磁兼容（ EMC ）设计的主要内容及方法电磁 兼容设计的主要方法有屏蔽 、滤波、接地等。31 屏蔽电磁 屏蔽是利 用金属板 、网、盖、罩、盒等屏蔽体阻止或减小电磁能量 传播所采取 的一种结构措施 。常用的 方法有静 电屏蔽 ，磁屏蔽和电磁 屏蔽 。电子设备结构 设计人员 在着 手电磁 兼容 性设 计时 ， 必须根据 产品 所提出 的抗干扰要 求进行有针对 性的电磁 屏蔽 设计。（1）静电屏蔽静电屏蔽主 要是为了抑制寄 生电容的耦合，使电 路由于 分布 电容泄漏 出来的电磁能量 经屏蔽接 地而不致于 串入其它电路，从而 使干扰得 到抑制 。静电屏蔽的基本 方法是采 用低电阻率 材料 作屏蔽体 ， 在感应源 与受 感器之间加一块与机壳 接触良好 的金属 隔板网 、罩或盒 。可用铜、铝材做 屏蔽 外壳 ，要求不高的也 可用钢材 。机壳 必须是导 电良好 、稳定可靠 的导电体。静电屏蔽必须 保名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2证良好 的接地，否则屏蔽 效果 将大大 下降。（2）磁屏蔽磁屏蔽主 要是针对 一些低 阻抗源。例如变压 器、线圈及一些示 波器、显示器就可考虑 用磁屏蔽 。良好 的低频屏蔽必须 具有合适的电 导率和高磁 导率 。磁屏蔽的基本 方法是 用高磁 导率 材料 ，如铁镍 合金、镍铅 合金、纯铁 、铜作屏蔽 材料 ，做成 屏蔽罩 。磁屏蔽罩 在结构上 按加工工 艺不同 一般 可分为两 类：一类为用平板坯料深冲成形 的， 另一类为焊 接成形 的。（3）电磁 屏蔽电磁 屏蔽就是对高频电磁 辐射 的屏蔽 。电磁 屏蔽的主要方法是 用金属 材料做成 屏蔽 壳体。 金属 材料可 以是 铁磁性 材料，也可以是 非铁 磁性 材料 ，通过 对电磁场的 反射和吸收损耗 起到屏蔽 作用，具体选用哪种材料 ，则应根据 工作 频率 （f）来确定 。其 临界 频率 为)(1067.5220Hztf=式中， t 材料厚 度（mm ）；当 f f0 时，铁磁性 材料 比非铁 磁性 材料 屏蔽 效果好；当 f f0 时，非铁 磁材料 比铁磁性 材料屏蔽 效果好 。一般 来讲，频率大 于 1MHz时，其 屏蔽 效能主要取决于吸收损耗 。就反射损耗而 言，非铁 磁材料 比铁磁材料 优越， 反射损耗与材料厚度无关 。电磁 屏蔽理论 指出： 电磁干扰在 通过屏蔽体时，一部分被反射，未被 反射的部分进入屏蔽层而被吸收 转化 为热能， 剩余 的部分则穿透 屏蔽 层， 继续向 外传播 。屏蔽体所 具有的这种 反射和吸收 电磁 波能量的能 力被 定义为屏蔽体 的屏蔽 效能。假定屏蔽体是 均质无缝 的，则屏蔽体 的屏蔽 效能与干扰场的场 型有关，其屏蔽 效果可按 下面的公式计 算。远场屏蔽效果 ：)(/log(10168131.0dBfftSErrrr-+=名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 3近磁场 屏蔽效果 ：)(/log(106.14131.02dBfrftSErrrr+=近电场 屏蔽 效果 ：)(/log(10322131.023dBrfftSErrrr-+=其中 ：SE（dB） 屏蔽效果；r（m） 屏蔽体 到干扰 源的距离 ；远场2r，近场2r；f（Hz） 干扰 频率 ；r 相对导电率；r 相对导磁率；t材料厚 度。均匀无缝 屏蔽体 的屏蔽 效能是很 高的。但是由于 加工、装配 及结构上 的加工需要等原因 ，实际 上屏蔽体 都是不连续的，存有各种 孔缝，屏蔽 效能远远 低于 理想的计算值 。在高 频段 ，由于波长 变短，结构上 的不连续 性会造 成射频 泄漏 ，构件缝隙 及孔、洞在电气 上就变得举足轻 重了。一般所有1MHz以上 的电磁干扰 都是通过屏蔽体 的孔缝处 泄漏 造成的。所以 ，在设 计屏蔽结构 件时必须 注意 电磁的连续 性， 避免孔缝 的泄漏 。 电磁学 上的小孔是指 其最大尺寸远 小于信号波长 的孔。一个孔径 的尺寸 接近或超过波长时，则必须 用铜丝屏蔽 覆盖，或者用一组不加屏蔽的小孔代替单个 大孔，或者用波导 衰减器屏蔽大 孔。考虑 到干扰场 强的透入深度是随着 频率的升高而减小 的， 因此 所需材料 的厚度也 可随之减小 。当干扰 频率 f 1MHz时，用 05 毫米 的任何一种金属 材料制成 的屏蔽罩 就能将场强减弱 100 倍以上 。这时选择材料 及确定料厚 时，应着重 考虑材料 的机械强度、 刚度、工 艺性及 防腐 、防潮 等因素 。当 f 10MHz时，用 01 毫米 厚的铜板制成 屏蔽罩 就能 将场强减弱 100 倍以上，因此 这时屏蔽罩 可用敷铜箔材料制 作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 4当 f 100MHz时，可用绝缘 材料经 热压成 型后，在表面镀以铜层、银层等制作屏蔽体 。非磁性 金属 材料不 宜作低频的磁 屏蔽体 ，因为在低频情况下， 屏蔽效果 主要靠屏蔽体 的吸收损耗 实现的。 为了 达到一定的屏蔽 效果 ，往往 需要很厚的材料 。从透入深 度rfp0/=可知，当 f 为 100MHz时，若用铝板做屏蔽体 ，要使干扰场 强衰 减为表面数值的 1100 时，则需用不小于 401 毫米 厚的铝板，这是不现实的。而选 用高 初磁导率 软磁合金材料 ，只用 17 毫米 就可以满足要求，且铁磁材料 的磁 导率 愈高， 屏蔽 效果 愈好。铁磁材料不 宜作高 频电磁 屏蔽 材料 。虽然 铁磁材料 在高频情况下， 屏蔽 效果比非磁性 金属材料好 ，但由于铁 磁材料 的电 阻率大 ，并有磁滞现象，会使屏蔽 电路能量 消耗显著。所以 ，在高 频情况下， 一般采 用非铁 磁性 导电良好 的金属 材料做屏蔽体 ，如铜 、铝或铜镀银 等。f 在 103108Hz范围 内才可采用钢板作屏蔽 材料 ，对屏蔽 屋而言（r 1m ），当 f 3MHz时，钢的屏蔽 效能高 于铜；对 屏蔽盒 而言（r 1m ），当 f 在几十千赫至几兆赫 时，薄钢板（01 毫米 ）的效能低于 薄铜板，随着 厚度的 增加， 铜的屏蔽 效能高于钢材 的频段 向低频区移动 ； 镀层材料 随用 途而异， 屏蔽 效能以银、铜、锌为好 ，锡、铝较差。32 滤波电路中的干扰信 号常常 通过 电源线 、信号线、控制线等 进入电路造成干扰，所以 对公用电源线 及通过 干扰环境的 导线一般 均要设 置滤波 电路。 滤波方式 可以分为有源滤波 和无源滤波 ，滤波 特性可根据 需要设 计成带通、 高通、 低通滤波 器。33 接地接地问题在电磁 兼容 性设 计中也 是一 个极其重要的 问题 ， 正确的接地方法 可以减 少或避免电路间 的互相干扰。根据 不同的电 路可 用不同 的接地方法 。331 组合单元电路接地（1）串联一点接地由图 1 可以看出各点电位332321321)()(ZIUUUZIIUUZIIIUBACABA+=+=+=名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 5设 Z1=Z2=Z3,则 UAUBUC。这种情况下， 一般 把接地点放 在低电平处，这种 接地方法 最简单，抑制 干扰能力差，仅适用于低 频电路。（2）并联 一点接地这种 接地法各电 路地电 流自 成回路，彼此独立 。避免 了各单元电路的相互 串扰，但接地电 阻较大 。如图 2 所示，当工作 频率较 高时，地线产生辐射 干扰。 所以，并联 一点接地也 仅适用于低 频 1MHz以下电 路。（3）多点接地I1I2I3Z1Z2Z3A B C 图 1 电路1 电路2 电路3 Z1Z2Z3图 2 电路1 电路2 电路3 Z1Z2Z3图 3 电路1 电路2 电路3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 6由图 3 可以看出，多点接地其 接地电 阻较小 ，在高 于 10MHz 时可用多 点接地，但此 时总地线应 适当宽些，长度也 不宜过长 ，最好不 超过 015 波长 ，同时，地线与机壳 应绝缘 。332 整机的接地整机接地方式 也是保障产品电磁 兼容 性的 主要措施之一 。由于其功能不同 ，故电路差别甚 大，接地状况也 不大相同。一般 常用的 方法是：将 模拟 电路、数字电路、机壳 分开，各 自独立 接地， 避免 相互间的干扰， 最后三 地合一接 入大地，这种 方式较 好地抑制了 电磁 噪声 ，减少了数字信号和模拟 信号之间的干扰。4 结束语为了 实现令人满意的屏蔽 ，设备 壳体应有 足够的屏蔽效果 ，以便将不希望 有的信 号强 度衰减到足以获得系统 分系统 设备的 最大的电磁 兼容 的电 平。 所谓电磁 兼容 就是设备在 预期 的电磁环境中能正常工作的能力。也就 是说，设备和系统在 规定的电磁环境中 不受 电磁干扰 而降低 工作性能 ； 同时它所产生的干扰也 不大于规定的极限 电平，以免影响 其它设备正常工作， 从而 达到所有 设备之间互不干扰、 共同运行的目的。由此可见，电磁 兼容是一 个整机性能 指标，它与 结构 设计的好坏有着密 切的关系。当然，结构 设计得好，未必就能 解决整机的电磁 兼容指标；但是结构 设计得不好 ，则极有可能导致整机电磁 兼容设计的失败 ，这也 是引起人 们对电磁 兼容结构 设计重视的原因 。在设 计一个新产品 时,一开始就必须考虑 到电磁兼容 问题 。如果 忽视 了这一问题 ,到新产品度 制时，干扰 问题 会暴露 出来。 因此及早地解决电磁干扰 问题 不仅是行之有 效的,而且会大大 降低 产品 成本 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -