EMI屏蔽究竟是怎么回事？一文一探究竟

來源：All about circuits

作者：Ignacio deMendizábal

編譯：付斌

 

身為電子工程師，噪聲和輻射無處不在，作為電子設(shè)計師必須掌握EMI電磁屏蔽相關(guān)知識，而這些知識和解決方案將廣泛用于改善設(shè)備免于受到外部電磁干擾。

 

干擾輻射的來源

 

麥克斯韋方程顯示，每當(dāng)電流經(jīng)流導(dǎo)體時，都會產(chǎn)生磁場，而磁場將會產(chǎn)生電場。電場和磁場的輻射特性被稱之為輻射發(fā)射。

 

這些輻射發(fā)射將會在電路或整個印刷電路板（PCB）中引發(fā)一些問題。在理想電路之中，電路本身發(fā)射的信號只包括電流和電壓，而在現(xiàn)實世界中，噪音是繞不開的問題。當(dāng)電路信號受到任何干擾時，就會發(fā)生這種情況。

 

由于電磁信號的性質(zhì)，并不能避免噪聲的存在，但是可以大大降低其影響。

 

需要注意的是，設(shè)備在運行時不會受到其他設(shè)備的影響，正如設(shè)備不會受到其他設(shè)備影響一樣，電磁敏感性是電路系統(tǒng)受到干擾仍然保持正常工作的能力。這種敏感性將取決于施加的噪聲水平，而不同的應(yīng)用諸如車載、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，擁有不同的程度磁化率。

 

每個電路、設(shè)備或系統(tǒng)都必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，盡可能減少輻射水平，來達到只對高水平的電磁場敏感。

 

EMC認證

 

電磁兼容性（EMC）認證是任何產(chǎn)品上市必須經(jīng)過的步驟，每個產(chǎn)品都必須通過EMC測試， 以確保安裝時不會影響任何其他設(shè)備（例如輻射測試），并且即使周圍存在其他系統(tǒng)（例如，敏感性測試）。

 

EMC測試在消聲室內(nèi)進行，圖片來源于Hermon Laboratories提供

 

通常來說，電子設(shè)備都會安裝在外殼內(nèi)，金屬外殼非常擅長限制電磁屏蔽，但相對來說并不完美。PCB和外殼之間的結(jié)合處會出現(xiàn)孔或槽，并且電磁場可以穿過它們，簡言之EMI屏蔽就是要覆蓋這些孔或槽。

 

此外，許多產(chǎn)品設(shè)計中存在一個普遍問題：僅在設(shè)計周期的最新階段才去考慮EMC認證的問題，在此情況下，整體的設(shè)計就被凍結(jié)到了這個階段，EMC工程師并沒有空間去修改產(chǎn)品設(shè)計解決電磁相關(guān)的問題。因此，一整套的工具與生態(tài)，并無需再次修改PCB對于EMI屏蔽起著至關(guān)重要的作用。

 

小型化和高效能一直以來是電子產(chǎn)品發(fā)展的全球趨勢，PCB具有越來越短的上升時間和越來越快的數(shù)字電路。上升時間越短，帶寬越大，而在此同時波長則會越小。當(dāng)電路中波長與PCB的物理尺寸相當(dāng)時，就會出現(xiàn)一定問題。如果這些波長足夠小，可能會到達外部并與其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

 

可以使用EMI屏蔽（即采用有助于覆蓋這些小孔并改善機械外殼的法拉第籠效應(yīng)的磁性材料）封閉這些開口。

 

計算EMI屏蔽效果和趨膚深度

 

無數(shù)種的EMI屏蔽擁有不同的材料和形狀，但總的來說最終的目標都是限制電磁場。

 

屏蔽元件充當(dāng)阻擋電磁輻射的屏障，事實上，這種屏蔽方式的過程擁有巨大的衰減，這將取決于電磁波和屏蔽元件的材料。

 

當(dāng)波撞擊屏蔽材料時，會生成兩種新的波，包括反射波和透射波。因此，入射波的能量將分裂為這兩種波。所傳輸?shù)慕M件是關(guān)鍵的相關(guān)組件，波將穿過屏蔽材料而到達外面。屏蔽的有效性將決定其衰減該分量的能力。

 

趨膚深度是波在其幅度降低到1 / e之前可以傳播的距離，該參數(shù)取決于材料磁導(dǎo)率，頻率和電阻率的因素，可通過以下表達式近似表示：

 

注：σ 表示電導(dǎo)率，μ表示磁導(dǎo)率，F(xiàn)表示頻率

 

使用屏蔽材料的目的是在波通過后盡可能減小波的幅度。因此，選擇合適的材料類型及其厚度t是極其重要的，以確保系統(tǒng)的所有頻率都被衰減。

 

屏蔽材料在此任務(wù)中的表現(xiàn)如何，取決于屏蔽效果（S.E），如下所示：

 

注：第一項代表反射損耗，第二項代表吸收損耗。

 

EMI屏蔽的類型

 

EMI屏蔽類型將很大程度上取決于產(chǎn)品的類型、電磁要求和環(huán)境條件。最常見的EMI屏蔽如下：

- EMI墊片

- EMI屏蔽膠帶

- 金屬夾

- 屏蔽柜

 

EMI墊片

 

EMI墊片用于覆蓋兩個機械表面間不規(guī)則但又存在的微孔，這些墊片還可用來改善接地連接。它們具有粘性部分和許多輪廓，因此可以輕松地安裝在不同類型的機械接頭之中。

 

可以切割墊片以適應(yīng)任何系統(tǒng)，圖片來源于WürthElektronik提供

 

EMI屏蔽膠帶

 

想要確保所有微孔都被蓋住，但對于像EMI墊片之類的選件并沒有太多垂直空間時，EMC膠帶就是首選了。這些膠帶的頂部具有高導(dǎo)電性的材料（例如鎳或銅），另一側(cè)具有粘合劑。

 

EMC屏蔽膠帶有許多長度和寬度選擇，圖片來源Holland Shielding Systems BV提供

 

  金屬夾

 

任何設(shè)備都需要短而寬且直連的接地線，如果這項連接做不好，將會形成不需要的單極子，這將會產(chǎn)生輻射電磁場。金屬夾改善了這種連接并加強了機械連接。

 

屏蔽柜

 

如CPU、存儲IC和射頻（RF）級之這類的干擾源來說，選擇PCB層上利用屏蔽柜單獨屏蔽是極佳的選擇。

 

 

屏蔽柜可安裝在PCB上，圖片來源于Harwin Electronics提供

 

結(jié)論

 

所有電路均會發(fā)出電磁輻射，并且容易被其他電路輻射。獲得將您的產(chǎn)品推向市場所需的認證可能是一個痛苦的測試過程。

 

各種形式和類型的EMI屏蔽都是解決EMI問題的基礎(chǔ)。

 

【參考文獻】

1. ElectromagneticCompatibility Engineering. Henry W. Ott. John Wiley & Sons, Inc. 2009

2. EM Geosci.

3. Learn EMC 2020,Shielding Theory.