使用 EMI 屏蔽减少电子设计中的辐射

时间:2023-12-06
  了解辐射发射
  根据麦克斯韦方程组,每当有电流通过导体时,就会产生磁场。此外,每当磁场存在时,电场也会存在。由于这些电场和磁场的辐射方面,它们被广泛称为辐射发射。
  这些辐射可能会导致电路或整个印刷电路板 (PCB) 出现问题。在理想电路中,您只会发现电路本身产生的信号、电流和电压。在现实世界中,会有噪音。当电路的信号受到任何其他信号的干扰时,就会发生这种情况。
  由于电磁信号的性质,不可能避免噪声的存在,但可以大大减少其影响。
  设备在运行时不影响其他设备至关重要,就像该设备不受其他设备影响也很重要一样。电磁敏感性是电路或系统即使受到干扰也能继续工作的能力。这种敏感性将由所施加的噪声水平决定。根据应用(汽车、医疗、军事等)不同的敏感性水平是可以接受的。
  每个电路、设备或系统都必须经过适当设计,以尽可能减少辐射,并且仅容易受到高水平电磁场的影响。
  电磁兼容
  电磁兼容性(EMC)是任何产品进入市场的必要步骤。每个产品都必须经过 EMC测试 ,以确保其在安装时不会影响任何其他设备(即排放测试),并且即使周围存在其他系统(即,敏感性试验)。
  EMC 测试在电波暗室中进行。图片由Hermon Laboratories提供
  电子设计通常安装在外壳内。金属外壳可以很好地限制电磁场,但它们并不完美。PCB 和外壳之间的连接处有孔或槽,电磁场可以穿过它们。EMI 屏蔽可以方便地覆盖这些孔。
  此外,许多产品设计中都存在一个常见问题:EMC仅在其设计周期的阶段才被考虑。此时,机电设计被冻结,EMC 工程师几乎没有空间修改产品来解决电磁问题。因此,通常需要拥有一套工具来解决辐射问题,而无需修改 PCB。在这些情况下,EMI 屏蔽起着关键作用。
  电子产品的趋势是小型化和快速化。PCB 具有越来越快的数字电路,其上升时间非常短。上升时间越短,带宽越大,因此波长越小。当电路中的波长与 PCB 的物理尺寸相当时,就会出现问题。如果这些波长足够小,它们就可以到达外部并对其他设备产生干扰。
  这些开口可以使用 EMI 屏蔽来封闭,即磁性材料有助于覆盖这些小孔并改善机械外壳的法拉第笼效应。
  计算 EMI 屏蔽效能和集肤深度
  EMI 屏蔽有无数种,它们都有不同的材料和形状。然而,它们都有相同的共同目标:限制电磁场。
  屏蔽元件充当阻挡电磁辐射的屏障。实际上,这种阻挡过程是一个巨大的衰减,取决于电磁波的频率和屏蔽元件的材料。
  当波撞击屏蔽材料时,会产生两种新波:反射波和透射波。因此,入射波的能量被分成这两个波。传输的分量是相关分量,因为它将穿过屏蔽材料向外传播。屏蔽的有效性将决定其衰减该分量的能力。
  趋肤深度是波的振幅减小 1/e 之前波可以传播的距离。它是一个取决于材料的磁导率、频率和电阻率的因素。可以用下面的表达式来近似:
  \[\delta = \sqrt{\frac {2}{\omega \mu \sigma}}\]
  其中\(\sigma \)是电导率,\(\mu \)是磁导率,\(\omega \)是角频率。
  使用屏蔽材料的目的是在电波通过后尽可能地降低其振幅。因此,选择材料类型及其厚度t至关重要,以确保系统的所有频率都得到衰减。
  屏蔽材料在此任务中的性能由屏蔽效能 (SE) 给出,如下所示:
  \[SE =20log \frac {\eta_o}{4\eta_s}+20loge^{t/\delta } (dB)\]
  这里,项对应于反射损耗,第二项对应于吸收损耗。
  EMI 屏蔽的类型
  您选择的 EMI 屏蔽类型在很大程度上取决于产品类型、电磁要求和环境条件。常见的 EMI 屏蔽如下:
  电磁干扰垫片
  EMI屏蔽胶带
  金属夹
  屏蔽柜
  电磁干扰垫片
  EMI 垫片用于 覆盖由于两个机械表面之间的不规则性而出现的微孔。它们还可以用来改善接地连接。它们具有粘合部分和许多型材,因此可以轻松安装在不同类型的机械接头中
  垫圈可以切割以适应任何系统。
  EMI屏蔽胶带
  当您想要确保所有微孔都被覆盖,但没有太多垂直空间用于 EMI 垫圈等选项时,EMC 胶带非常方便。这些胶带的顶部具有高导电材料,例如镍或铜,另一侧具有粘合剂。
  金属夹
  任何设备中始终需要短、宽且直接的接地连接。如果这种连接做得不好,就会形成不需要的单极子,那么它将辐射电磁场。金属夹改善了这种连接并加强了机械连接。
  屏蔽柜
  微处理器存储器 IC 和射频 (RF) 级等组件是常见的良好干扰源。您可以选择在 PCB 层将屏蔽柜放置在它们上方来单独屏蔽它们。

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