电磁屏蔽设计实践Word格式.docx

1、图15给出了个人计算机中常用的频率为70kHz的开关电源的发射频谱。这将干扰包括调频广播在内的广播通信。图15中还给出了由16MHz时钟微处理器或微控制器产生的典型发射频谱。这些器件的发射通常会在200MHz甚至更高的频率超过发射极限值。目前，由于个人计算机采用400MHz甚至1GHz以上的时钟频率，因此数字技术必然会对高端频谱产生干扰。之所以会发生以上各种现象，是因为所有导体都是天线。它们把传输的电能转变成电磁场，然后泄漏到广阔的环境中。同时，它们也能把其周围的电磁场转变成传导电信号。这是放之四海而皆准的真理。因此，导体是信号产生辐射发射的主要原因，也是外来场使信号受到污染的原因（敏感度和抗

2、扰度）。2.2导体的泄漏与天线效应电场（E）由导体上的电压产生，磁场（M）由环路中流动的电流产生。导体上的各种电信号均可产生磁场和电场，因此，所有导体都可将其上的电信号泄漏至外部环境中，同时也将外部场导入信号中。在远大于所关心频率的波长（）的1/6处，电场和磁场汇合成包含电场和磁场的完整电磁场（平面波）。例如：对于30MHz，平面波的转折点在1.5m；对于300MHz，平面波的转折点在150m；对于900MHz，平面波的转折点在50m。因此随着频率的增加，仅仅把导体视为电场或磁场的发射和接收器是不够的，如图16示。图16电场和磁场随着距离增加变为电磁场随频率增加的另一个效应是：当波长（）与导体

3、的长度比拟时，会发生谐振。这时信号信号几乎可以100%转换成电磁场（或反之）。例如，标准的振子天线仅是一段导线，但当其长度为信号波长的1/4时，便是一个将信号转变成场的极好的转换器。虽然这是一个很简单的事实，但对于使用电缆及连接器的技术人员而言，认识到所有的导体都是谐振天线这一点很重要。显然，我们希望它们都是效率很低的天线。如果假定导体是一个振子天线（很适合我们的目的），我们就可以利用图17来帮助我们分析。图17电缆长度与天线效率图17的纵轴表示导体长度（单位：米），为了便于观察，将图15的频谱复制出来。最右边的斜线给出了导体成为理想天线时导体的长度与频率的关系。很明显，在常用的频段内，即使很

4、短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到，在100MHz处，1米长的导体就是很有效的天线，在1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线。这个简单的事实就是使EMC被称为“黑色艺术”的主要原因。前几年，日常生活中广泛使用的频率都较低，典型的电缆不能成为很有效的天线，这就是为什么电气配线“惯例”趋于过时的原因。图17中，中间的斜线表示虽然导体没有成为高效的天线，但仍有可能引起问题的导体长度。左边的斜线表示导体的长度极短，其天线效应可忽略的情况（特别严格的产品除外）。有人说：“没问题，我已经接地了”，你听这话多少次了？在EMC业界人士中，射频是色盲是经常的笑话。因此不能将传输射频信号的黄/绿色导

5、线（美国标准中规定安全地线为黄/绿色）想象成很好的地，并且，所有用于接地的导体也都是天线。2.3所有电缆受其固有电阻、电容、电感影响暂时不考虑场和天线的作用，先看下面几个简单的例子。这些例子可以说明：在常用的频率范围内，与理想状态微小的偏差也会导致导体上所传输的信号出现问题。*直径1mm的导线，在160MHz时，其电阻是直流状态时的50倍还要多，这是趋肤效应的结果，迫使67%的电流在该频率处流动于导体最外层5微米厚度范围内。*长度为25mm，直径为1mm的导线具有大约1pF左右的寄生电容。这听起来似乎微不足道，但在176MHz时呈现大约1k的负载作用。若这根25mm长的导线在自由空间中，由理想

6、的峰-峰电压为5V、频率为16MHz的方波信号驱动，则在16MHz的十一次谐波处，仅驱动这根导线就要0.45mA的电流。*连接器中的引脚长度大约为10mm，直径为1mm，这根导体具有大约10nH左右的自感。这听起来也是微不足道的，但当通过它向母板总线传输16MHz的方波信号时，若驱动电流为40mA，则连接器针上的电压跌落大约在40mV左右，足以引起严重的信号完整性和/或EMC方面的问题。*1米长的导线具有大约1H左右的电感，当把它用于建筑物的接地网络时，便会阻碍浪涌保护装置的正常工作。*滤波器的100mm长的地线的自感可达100nH，当频率超过5MHz时，会导致滤波器失效。*4米长的屏蔽电缆，

7、如果其屏蔽层以长度为25mm“小辫”方式端接，则在30MHz以上的频率就会使电缆屏蔽层失去作用。经验数据：对于直径2mm以下的导线，其寄生电容和电感分别是：1pF/英寸和1nH/毫米（对不起没有统一单位，但这更容易记忆）。其简单的算术关系式如下：2.4避免使用导体以上的种种分析表明：随着频率升高，电缆的问题越来越多。用它来完整地传输信号和防止它产生泄漏越来越困难。即使对诸如音频之类的低频信号，电缆也开始呈现越来越多的问题。由于所有的半导体器件在直到数百MHz的频段（即使象LM324之类的低速运放）内都具有晶体检波器的特性，所以电缆天线效应会使音频信号不知不觉地受到污染。因此，从以最经济的手段满

8、足EMC要求的角度来说，最好彻底避免金属电缆和连接器。可以使用非金属导线进行通信，目前已经有许多类似的产品出现，包括：*光纤（更适宜非金属导线场合）*无线通信（例如：Bluetooth；局域网）*红外（例如：IrDA）*自由空间微波和激光通信（例如：两建筑物之间）2.4.1非导体产品的成本/效益分析许多设计人员认为：只有采用传统的电缆和导线才能压缩成本。但当考虑到一个完整项目的成本、产品或系统的可靠性和电磁兼容性、安装等诸多因素时，经常可以发现，光纤或无线通信的总成本较低。当然，这时一切都晚了。对于信号电缆及连接器而言，除了最简单的电子产品以外，原材料价格与销售价格没有什么必然的联系。对信号完

9、整性、EMC兼容性、过充电的危险、高返修率的风险、质量投诉、产品滞销等方面进行正确的成本/效益分析是十分必要的。设计工程师们不愿考虑他们设计出的产品所具有的商业风险，但他们是唯一决定产品是否具有竞争力的人（通常需求是由市场人员提出）。但是，如果电子工程师们一味地只考虑产品的功能参数和原材料价格，那么，他们公司将失去竞争优势，同时还会承受不可预测的商业风险。EMC设计技术（二）2.5电缆隔离和布局电缆安装规则不是本书所讨论范围，但产品设计人员需要了解这些规则，以设计产品的外部连接。下面简单概述一下标准IEC61000-5-2：1997和其它一些标准中关于信息设备和远程通信设备安装方面的建议。A.

10、所有建筑物要按照BS6651附录C的规定或等价的标准安装雷电保护系统，至少将其内部搭接网络与大地连接起来。在建筑物中，所有钢材、金属件、电缆输送管、导管、设备机壳、接地导体应交叉搭接，形成三维搭接网络，搭接网格尺寸不得大于4米。B.将电源电缆和信号电缆从最敏感到噪声最强至少分成“四级”。C.设备单元之间的电缆在单一路径上分布（因此要求设备具有单一的连接面板），但在不同电缆之间应至少保留最低间隙。D.只要没有设备厂家的明文禁止，都应该将电缆屏蔽层两端3600端接至设备屏蔽壳上。E.将所有电缆贴近构成地线网格的导体或金属件分布，防止过多的屏蔽层电流。F.当没有建筑网格地时，可采用电缆托架、电缆输送

11、管、导管等来代替，要是这些都没有，可采取较粗的接地导体，用它构成平行地导体（PEC）。PEC必须两端搭接到设备机壳地，同时信号电缆要沿着它布置。隔离的需求、PEC、屏蔽层两端搭接都会影响互联电缆面板布局的设计、连接器种类选择、搭接重型PEC方法等因素。图18给出了用屏蔽电缆和非屏蔽电缆将屏蔽壳体连接起来的技术。图18安装屏蔽机箱时的正确方法对于设备之间较短的连接（比如微机主机与显示器、打印机和调制解调器之间的连接），假如所有的互联设备均由同一电源线供电，并且所有连至建筑物其它部分的长电缆（比如网络电缆）全部被电隔离（例如以太网），则仅上面D项的要求（屏蔽电缆屏蔽层两端与屏蔽机箱3600端接）是

12、必须的。对家庭高保真音响及家庭影院系统来说，这些屏蔽搭接技术也是不可缺少的。然而，A项也经常方便地用来保护这些设备免受雷电带来的损害。2.6选择最优电缆翻开信号电缆生产厂商的产品目录，你就会发现，即使用于同一目的，可供选择的电缆种类也各式各样。这就给人们一个提示：所有的电缆均有其不足之处。要想为具体应用场合选择最好的电缆是相当困难的，同时也可能相当昂贵、相当笨重、相当硬的，同时只能专门订货，订货周期为26周，最小订量为每卷5千米。2.6.1传输线传输线技术可以防止电缆成为谐振天线。当信号电流环路的发送和回流导线靠得很近时，就会产生强烈的耦合，其互电容和互电感的组合构成了特性阻抗：式中：L和C分

13、别表示每单位长度（所关心的最高频率处的波长的分数）的电感和电容。对电缆和连接器来说，Z0可以计算出来，（对PCB走线也能算出，见本书第5章）当Z0在互联电缆的全长上都保持恒定，且驱动和/或输出阻抗（源端和负载端）与Z0匹配时，就形成了受控阻抗的传输线，这种传输线不会发生谐振。导线的固有电感与电容也不会带来太多问题。这就是为什么射频和所有测试设备均用50传输线电缆及连接器的原因，同时也是高速和/或远程数据总线和串行通信线路也采用传输线的原因（通常阻抗在50120之间）。世界上没有十全十美的事情，即使电缆不谐振，并且是最好的传输线，轻微的泄漏依然是存在的。另外，在铺设电缆过程中，由于弯折、形变、捆扎、挤压、反复屈伸、损坏或与不适当的连接器配合使用，会引起阻抗Z0的变化，从而进一步使传输线性能降低（使泄漏增加）。不幸的是：在目前的高频范围内，制造优质的传输线电缆互连线的成本是相当高的。例如，微波测试设备使用的柔韧电缆，价格高达每米数百英镑。这就是GHz以太网采用非屏蔽双绞线的原因。这必须采用复杂的数字信号处理算法以减小数据传输率并进行随机扩展，且这需要四对线。因此，尽管传输线的性能非常好，它并不是解决电缆高频问题的万能手段。 2.6.2设备内部和外部连线的E