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工业及消费电子产品&设备:EMC基础理论(重要)

2.电磁干扰的模式

A.共模干扰与差模干扰

共模干扰:就是线与线同时对地的回路干扰

如上图, UPQ的电压差UCM为共模电压,ICM1&ICM2为共模电流。ICM1ICM2大小不一定相同,但方向相同!

差模干扰:简单的说是线对线的回路干扰。

如上图,我们可以了解差模的原理图。UDM为差模电压,IDM为差模电流。

IDM大小相同,方向相反。

在大多数情况下:

共模干扰的干扰电流在电缆中的所有导线上幅度/相位相同,它在电缆与大地之间形成回路流动,见图(a)。差模干扰的干扰电流在信号线与信号地线之间流动,见图(b)!

由于共模干扰与差模干扰的干扰电流在电缆上的流动方式不同;因此对这两种干扰电流的滤波方法也不相同。因此在进行滤波设计之前必须了解所面对的干扰电流的类型!

B.PCB的辐射与线缆的辐射

1.PCB辐射

PCB上有许多信号环路,其中有差模电流环也有共模电流环,计算其辐射强

度时,可等效为环天线,辐射强度由下式计算:

2.线缆&接口连接线的辐射

计算线缆的辐射强度时,将其等效为单极天线,其辐射强度由下式计算:

从以上两式可以看出线缆的辐射效率远大于 PCB布局布线 的辐射效率!

3.电磁屏蔽理论

A.屏蔽效能的概念

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术,是抑制电磁干扰的重要手段之一。屏蔽有两个目的,一是限值内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区

域,二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。

电磁场通过金属材料隔离时,电磁场的强度将明显降低,这种现象就是金属材

料的屏蔽作用。我们可以用同一位置无屏蔽体时电磁场的强度与加屏蔽体之后

电磁场的强度之比来表征金属材料的屏蔽作用,定义屏蔽效能(Shielding

Effectiveness,简称 SE):

B.屏蔽体上孔缝的影响

实际上,屏蔽体上面不可避免地存在各种缝隙、开孔以及进出电缆等各种缺陷,这些缺陷将对屏蔽体的屏蔽效能有急剧的劣化作用。

理想的屏蔽体在 30MHz 以上的屏蔽效能已经足够高,远远超过工程实际的需要。真正决定实际屏蔽体的屏蔽效能的因素是各种电气不连续缺陷,包括:缝隙、开孔、电缆穿透等。

屏蔽体上面的缝隙十分常见,特别是目前机柜、插箱均是采用拼装方式,其缝隙十分多,如果处理不妥,缝隙将急剧劣化屏蔽体的屏蔽效能。

C.孔缝屏蔽的总体设计思想

根据小孔耦合理论,决定孔缝泄漏量的因素主要有两个:孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。两者皆大,则泄漏最为严重;面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。如图所示为一典型机柜示意图,上面的孔缝主要分为四类:

(1)机箱(机柜)接缝

该类缝虽然面积不大,但其最大线度尺寸即缝长却非常大,由于维修、开启等限制,致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝,采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。该类孔缝屏蔽设计的关键在于:合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。

(2)通风孔

该类孔面积和最大线度尺寸较大,通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计。在满足通风性能的条件下,应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件。

(3)观察孔与显示孔

该类型孔面积和最大线度尺寸较大,其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。

(4)连接器与机箱接缝

这类缝的面积与最大线度尺寸均不大,但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大,从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大,往往导致整个设备的辐射发射出现超标,为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。

由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波,因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同,在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能,则需首先确定辐射源,明确频率范围,再根据各个频段的典型泄漏结构,确定控制要素,进而选择恰当的屏蔽材料,设计屏蔽壳体。

综上所述,孔缝抑制的设计要点归纳为:

(1)合理选择屏蔽材料;

(2)合理设计安装互连结构。

D.孔洞泄露的评估

机箱上不可避免地会有各种孔洞,这些孔洞最终决定了屏蔽体的屏蔽效能(假设没有电缆穿过机箱)。一般可以认为,屏蔽机箱在低频时的屏蔽效能主要取决于制造屏蔽体的材料,在高频时的屏蔽效能主要取决于机箱上的孔洞和缝隙。当电磁波入射到一个孔洞时,孔洞的作用是相当于一个偶极天线。当缝隙的长度达到1/2时,其辐射效率最高(与缝隙的宽度无关)。也就是说,它可以入射到缝隙的全部能量辐射出去,如图所示。

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