电磁兼容的屏蔽设计

微软中国

电磁兼容原理

电磁兼容性屏蔽设计

刘莹

20082305007

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电磁兼容性屏蔽设计

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体地讲，就是用屏蔽体将电子元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们收到外界电磁场的影响。

电磁兼容设计原理

电磁兼容设计原理要根据屏蔽材料的电导率、磁导率、厚度、温度适应能力、成本、厚度和频率关系等因素来选取。屏蔽体的电磁屏蔽效能一般可有以下几种表示方法。

1、屏蔽系数Z是指被干扰的导体（或者电路）在加屏蔽后感应电压V 1 和未加屏蔽感应电压V0 之比，即Z= V 1 / V0 Z越小，屏蔽效果就越好。

2、传输系统T系指加屏蔽后某一测点的场强（E 1，H 1）与同一测点未加屏蔽时的场强（E 0，H 0）之比，即

电场 T= E 1（有屏蔽）/ E 0（无屏蔽）

电场 T= H 1（有屏蔽）/ H 0（无屏蔽）

3、屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)有时候也称屏蔽损耗、屏蔽衰减、屏蔽效果、屏效等。是指未加屏蔽时某一测点的场强（E0、H0 ）与加屏蔽后同一测点的场强（E1、H1）之比，并以dB为单位。屏蔽体经常用于遮挡骚扰源与敏感设备之间的场强耦合。设屏蔽区内某一点在屏蔽前（无屏蔽）、后（有屏蔽）的场强值分别为E0和E1，则屏蔽体的屏蔽效能是

SE=20lg(E0/E1)( dB)

屏蔽效能的理论值由R、A、B三项因素决定，即

SEdB =R dB +A dB +B dB

在式中：SE：A：吸收损耗(dB) R：反射损耗(dB) B：校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况) 一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB。

4、收损耗A 是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗计算式为AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

其中 f：频率(MHz) μ：铜的导磁率σ：铜的导电率 t：屏蔽罩厚度。多孔薄型屏蔽层：多孔的例子很多，比如薄金属片上的通风孔等等，当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式 SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n

其中 fc/o：截止频率 n：孔洞数目。注意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况，也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。愈高频之电磁波其波长愈短，这表示随着电磁波频率的增加，其所能穿过之缝隙愈小。

屏蔽体对来自导线、电缆、元部件以及电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波)的作用，所以利用屏蔽体可以非常有效地减弱电磁干扰。屏蔽体的实际应用很广，包括专门的屏蔽室、设备的外壳或机箱、是设备内部敏感的屏蔽盒及各种屏蔽线缆等。不同的设备各自及不同的工作环境，对屏蔽的要求不同，屏蔽体的设计也

各有特点，但基本上的设计原则和处理方法是一致的。

图1 典型的电磁屏蔽示意图

屏蔽材料选择的原则如下:

(1) 当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率(高电导率)的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。

(2) 当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。

(3) 在某些特定场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的评比效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

屏蔽体的设计原则：

明确电磁骚扰抗源及敏感单元

如果是屏蔽体外部电磁骚扰，则要了解设备的工作环境和可能的骚扰源及强度，找出设备内部易受干扰的电路及其承受能力；如果是屏蔽内部电磁场，则要判断主要的内部骚扰源及可能产生的辐射场强，了解设备的工作环境及其对设备辐射场强的限制的要求；如果是屏蔽体内部骚扰对设备本身的干扰，则要找出内部骚扰源和被干扰电路。

（1）大致确定屏蔽体的屏蔽效能

根据第一步已知的骚扰场强及防护要求，按式电场 T= E 1（有屏蔽）/ E 0（无屏蔽）和电场 T= H 1（有屏蔽）/ H 0（无屏蔽）计算屏蔽体应达到的屏蔽效能要求。

（2）确定屏蔽方式

根据产品的外观设计要求和要屏蔽的骚扰电磁场的性质及频率等等，确定屏蔽方式、屏蔽厚度等。

（3）进行屏蔽完整性设计

根据产品的功能设计要求，确定屏蔽体必须的孔缝及电缆穿透等，并采取相应的技术措施以避免因屏蔽不完整而带来的屏蔽效果下降。

屏蔽体设计中的理方法

1屏蔽方式及屏蔽材料的选择

按屏蔽原理和屏蔽效能可知，为屏蔽场、磁场和电磁场，采用的方法及要求不同，应根据骚扰场的性质确定屏蔽方法。

（1）对于电场，应采用良导体，屏蔽体厚度没有要求，只要满足机械强度即可。（2）对于电磁波，除了采用良导体外，为抑制其磁场分量，屏蔽体还具有一定的厚度，这与电磁波频率及材料有关，在高频情况下，应电磁波的透入深

度很小，厚度要求易于满足。

（3）对于磁场，可用具有一定厚度的良导体，但在低频情况下，厚度要求无法满足，只能采用高磁导率材料，屏蔽体同样应有一定的厚度。

对于设备的屏蔽，一般采用金属外壳。然而，有些设备出于满足用户要求，便于制造出各种形状、降低成本等原因，需要采用塑料外壳。对此，可在其内壁粘贴金属箔，并在接缝处使用导电粘合剂粘接，以构成一个连续导电的整体，也可采用导电涂料或金属喷涂等方法形成薄膜屏蔽体，还可以使用导电塑料。但这些方法只能用与屏蔽电场和高频电磁场，对于低频磁场，作用很小。

如果单层屏蔽不能满足对屏蔽效能的设计要求，可采用双层或多层屏蔽结构，但注意的是两个屏蔽层之间不能有电气上的连接，如果使用不同的屏蔽材料，靠近磁场骚扰源的屏蔽层宜采用高电导率材料，以提供良好的电场屏蔽，并削弱部分磁场强度，靠第二层屏蔽不致发生磁饱和，远离骚扰源的屏蔽层采用告辞道率材料，以衰减磁场强度，达到对磁场的屏蔽效能。

2.屏蔽完整性设计

由于一个设备不大可能与外界完全隔绝，因此，实际的屏蔽体必然是一个不完整屏蔽，要保证其屏蔽效果就需要尽量减小屏蔽不完整带来的影响在设备中，影响屏蔽不完整的因素主要有两个，一个是为了通风、窥视、开箱等引入的孔缝，另一个是由于电缆线出入引起的穿透。由于穿透引起的屏蔽效能下降，可以通过滤波的方法加以抑制。下面主要考虑孔缝的影响。

屏蔽体上方的孔缝对屏蔽效果的影响主要体现在：①对于低频磁场的高磁导率材料屏蔽体，由于开孔或开缝影响了沿磁力方向的磁阻，使其增大，降低了对磁场的分流作用；②对于抑制高频磁场和电磁波的良导体屏蔽体，由于开孔或开缝影响了屏蔽体感应涡流的抑制作用，是的磁场和电磁波穿过孔缝进入屏蔽体内；

③对于抑制电场的屏蔽，由于缝隙影响了屏蔽体的电连续性，使之不能成为一个等位体，屏蔽体上的感应电荷不能顺利地从接地线走掉。

因此，如果必须在屏蔽体上开孔或缝，应当注意开孔或缝的型式及方向，尽量减少对屏蔽体中磁场或涡流流通的影响，使其在材料中能均匀分布，以保证消弱外部磁场。如图所示图a为没有孔缝时的磁场或涡流分布，图b-图d分别开设不同的孔缝，有图可见，图b所示狭长缝的效果最差，图d所示开设多个小孔的效果最好。

电磁波穿过孔缝取决于其最大尺寸。一般，当孔缝的最大尺度大于电磁波波长入的1/20时，电磁波可穿过屏蔽体，当尺寸大于波长的一半时，电磁波可毫无衰减地穿过。因此，为了减少孔缝对屏蔽效果的影响，应减少其最大尺寸，时期小于入/20。

应当注意，在一个设备中有许多孔缝，屏蔽完整性的考虑也并非是一味地对所有孔缝都采取完善的措施，应当根据各个孔缝的尺寸及电磁骚扰源的情况，找出主要的泄漏孔缝并加以处理。

a b

C d

EMI屏蔽为使产品快速且有效的符合EMC规范的方式，当频率在10MHz以下时电磁波大多为传导的形式，而较高频率的电磁波则多为放射的形式。设计时可以采用单层实心屏蔽材料、多层实心屏蔽材料、双重屏蔽或者双重以上屏蔽、等新型材料屏蔽。对于低频的电磁波需用厚的屏蔽层，最合适使用磁导率高的材料（或磁性材料，缺点就是笨重且成本高），如镍铜合金等，以获得最大的吸收

损耗；而对于高频电磁波相对的可使用的金属屏蔽材料。