结构设计EMC知识交流课件

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1、结构设计EMC知识交流本PPT期望达到的目标1.结构工程师对产品EMC有一个全面、感性的认识2.了解结构设计在产品EMC设计过程中所处的位置及重要性3.了解EMC基础知识、接地基础知识、滤波基础知识4.掌握结构屏蔽相关知识、屏蔽罩的设计及滤波器的安装注意事项5.在遇到有屏蔽效能要求的机箱、模块盒设计时，能合理设计结构，合理选用电磁密封衬垫EMC基础知识 常用术语常用术语1.电磁兼容(Electromagnetic Compatibility简称EMC):设备或系统在其电磁环境中正常工作，并不对该环境中的任何东西产生不能承受的电磁骚扰的能力2.电磁干扰(Electromagnetic Inter

2、ference简称EMI)电磁骚扰引起的设备,传输通道或系统性能的下降3.电磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility简称EMS)对电磁环境所呈现的不希望有的响应程度，敏感度阈值越小，抗扰度越差4.电磁辐射 能量以电磁波形式由源发射到空间的现象 在电磁骚扰下，设备或系统性能出现下降的情况5.电磁发射(electromagnetic emission)从源向外发出电磁能的现象6.(对骚扰的)抗扰度(immunity to a disturbance)在电磁骚扰下，设备工作时不产生性能降低的能力电磁兼容设计目的电磁兼容设计目的一、产品可靠性要求：设备内部的电路相互不产生

3、干扰，达到预期的功能；设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值；设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力；二、外部要求：目前很多国家和区域联盟都要求进入其市场的产 品必 须符合相应的EMC标准，并通过认证。例如：GJB151A、美国的FCC认证、日本的VCCI认证、欧盟的CE认证、中国的3C认证等各种认证电磁兼容标准电磁兼容标准分析环境中的各种电磁干扰分析设备受电磁干扰的机理编成电磁兼容标准保证各类电子设备的正常工作及良好的电磁环境电磁兼容国家标准体系电磁兼容国家标准体系 电磁兼容标准 干扰发射 敏 感 度 传 导 辐 射 传 导 辐 射电源线信号/控制线天线端口 电 场 磁 场 电源线/信号线 射频

4、 瞬态天线端口 电 场 磁 场 静 电放电 电磁兼容标准的内容电磁兼容标准的内容GJB151AGJB151A：规定军用电子、电气、机电每个单独设备和分系统的电磁发射和敏感度特性要求，包括：传导发射：电源线、天线端子辐射发射：电场、磁场传导敏感度：电源线、互连线、机壳辐射敏感度：电场、磁场我司产品涉及的我司产品涉及的EMC标准标准以公司某款产品试验为例：GB17626.2静电放电抗扰度试验 GB17626.3 射频电磁辐射抗扰度试验 GB17626.4 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 GB17626.5-1999 浪涌冲击抗扰度试验 GB17626.6 射频场感应的传导骚扰抗扰度 EN 55022

5、2006EMC 三要素三要素干扰源：变化的工作电压或工作电流 敏感设备：耦合途径：传导：以电流的形式被电路布线引导和传递辐射：以电磁波的形式被等效天线在空间发射、接受抑制骚扰源抑制骚扰源 尽可能减小骚扰源的du/dt,di/dt,这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则 减小du/dt，主要是指通过在骚扰源两端并联电容来实现 减小di/dt，主要是指在骚扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现减小敏感度减小敏感度 对于模拟电路：只要输入信号上混有即使很小的噪声，输出信号上一定存在噪声的影响，只是程度不同而已 对于数字电路：一般来说，数字电路的阈值电平热高，传输延时时间越长（即工作速度越慢

6、），输出阻抗越低，敏感度门限就越高，抗干扰能力越强耦合途径耦合途径 传导耦合：低于30MHz的耦合，分为直接耦合、漏电耦合、公共阻抗耦合、电容耦合、电磁感应耦合 措施：在骚扰进入敏感设备之前，用滤波的方法从导线上去除噪声 辐射耦合：高于30MHz的耦合，通过空间辐射传播到敏感器件的干扰 措施：增加距离、合理接地、敏感器件上加屏蔽罩 1 测试修改法（轻）2 系统设计法（重）可采取的措施 电路结构屏蔽 元器件 滤波 软件成本成本措施措施 概念 设计 产品 市场阶段电磁兼容的工程方法电磁兼容的工程方法产品产品EMC设计步骤设计步骤1、产品EMC认证需求书：根据产品目标市场定位和产品的形态2、产品EM

7、C设计规格书：确认结构设计屏蔽效能的等级、电缆的屏蔽形式、滤波器的型号和功能参数、滤波连接器的选用3、产品系统EMC设计：结构设计、电缆设计、电源配电设计4、产品EMC结构详细设计：结构总体屏效设计方案、缝隙屏蔽设计方案、进出线屏蔽设计方案、屏蔽材料选择方案5、产品EMC阶段评审：结构样机试装EMC检视建议书EMC设计5方面 接地技术：模块盒、机架提供产品安全地 滤波技术：了解滤波器的安装 屏蔽技术：与结构密切相关 元器件选型 PCB布局接地基础知识接地定义及种类接地定义及种类 接地：电气连接到能提供或接受大量电荷的物体上（如大地、机箱外壳等）或者说是电流返回其源的低阻抗通道。接地种类：保护接

8、地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防静电接地 保护接地：是为了保护设备、装置、电路及人身的安全 工作接地：是单板、背板或系统之间信号的等电位参考或参考平面，它给信号回流提供了低的阻抗通道 防雷接地：由于雷电放电电流一般是脉冲性的大电流（可高达上百、千安），为防止人及物体遭到雷击，这些物体可以是天线、大楼、电子或电气设备等接地定义及种类（续）接地定义及种类（续）屏蔽接地：为了防止电磁辐射和干扰，系统设计中常采用结构屏蔽的方法，可以降低屏蔽体以外的电磁场强度，也可以保护屏蔽接地体内的设备免受外界电磁场的干扰影响 静电接地：当人手触摸电子装备时，由人体附带的数千伏的静电电压，会对设备中的电子器件发生

9、放电，虽然静电的能量不高，但产生的瞬时电流足够大，有可能造成电子器件的损坏，如机箱上装了防静电手腕屏蔽接地目的屏蔽接地目的 1.保证接地回路具有很低的公共阻抗，使系统中各路电流通过该公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小 2.在有高频电流的场合，保证信号地对大地有较低的共模电压，使通过信号地产生的辐射噪声最低 3.保证地线与信号线构成的电流回路具有最小的面积，从而 1）使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小 2）避免由地电位差通过地回路引起过大地电流，造成传导干扰四种接地方式四种接地方式 单点接地：适用于f10MHz的场合，接地导线长，难以保证接地的低阻抗，会产生明显的接地导线间的电磁耦合

10、，接地导线长度宜1/20 混合接地：串、并联单点混合接地：适用于较为复杂的低频f1MHz 单点、多点混合接地：适用于高、低频1MHzf10MHz 悬浮接地：手机接地、舰载设备屏蔽罩接地点屏蔽罩接地点（结构相关）（结构相关）为防止多级小信号放大器和高增益放大器自激通常会考虑屏蔽罩 屏蔽罩接地点选择在输出端地线上，以消除输出端对输入端的干扰 对于弱电平高灵敏度的信号电路，为了提高工作稳定性，有时需要采用双层屏蔽，内、外层屏蔽罩之间单点接地，两屏蔽层间的连接以及外屏蔽罩的接地都在信号电路的输出端，外屏蔽罩对基准地使用单点接地单板接地单板接地 单板直接接地的点数越多、效果越好 一般要求数字单板接地螺钉

11、的接地间距8-10cm 屏蔽电缆一定要接机壳地常用接地符号常用接地符号 GND：单板及背板工作地 PE、PGND、FG：保护地或机壳地，交流配电时用PE标识 BGND、DC-RETURN：直流-48V(+24V)电流回流 DGND：单板数字地 AGND：单板模拟地 LGND：防雷保护地接地系统示例接地系统示例结构屏蔽知识产品产品EMC屏蔽设计屏蔽设计 定义：就是用导电或导磁材料制成盒、壳、板和栅将电磁场限制在一定的空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减，从而抑制电磁场干扰的扩散，根据功能不同分为：电屏蔽：静电或电场屏蔽，防止或抑制寄生电容耦合 磁屏蔽：防止磁感应，抑制寄生

12、电感耦合 电磁屏蔽：防止或抑制高频电磁场干扰电屏蔽电屏蔽 静电屏蔽：抑制静电感应 近场电屏蔽：抑制寄生电容耦合32CCCCEUgsgsgSSgsgsgSCCCEU结构设计要点结构设计要点 1.增加金属屏蔽物，并且有良好接地，并且选好接地点，尽量靠近被屏蔽元件 2.屏蔽板的材料以良导体为好，如铜、铝，但对厚度并无要求，只要有足够强度就可以了 3.高频时，屏蔽体表面镀银，提高屏蔽效能 4.使相互耦合的两导体或两元器件相互远离结构设计要点（续）结构设计要点（续）5.合理设计屏蔽体的结构 1）单层盖结构：屏蔽体涂覆处理时，确保良好电连接 2）双层门盖结构：两层盖中央避免直接接触，当盖间距离很小时，要垫

13、绝缘层 3）屏蔽盒的共盖和分盖结构：分盖等效双层盖，共盖等效单层盖双层盖屏蔽结构示例双层盖屏蔽结构示例共盖和分盖结构示例共盖和分盖结构示例低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽 定义：通常是对直流或甚低频磁场的屏蔽，其效能比对电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多，因此磁场屏蔽是个棘手的问题。产生机理：主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。H1H0磁场屏蔽的机理结构设计要点结构设计要点 1.当工作频率f10MHz，用高磁导率的铁氧体材料（如铁、硅钢片、坡莫合金等），对干扰磁场进行分路，从而保护被屏蔽体不受磁场干扰；2.屏蔽体磁导率随外界磁场强度、频率会发生变化，较厚材

14、料的磁导率随频率变化下降的快些，材料磁导率越高，越容易饱和，一旦饱和就会失去磁屏蔽作用，所以材料的磁导率和饱和特性需要同时考虑；结构设计要点（续）结构设计要点（续）3.适当增加屏蔽体的壁厚，能够减少屏蔽体的磁阻；4.被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通；5.高导磁率材料在机械冲击的条件下会极大地损失磁性,导致屏蔽效能下降。例如坡莫合金,经机械加工后未经退火处理时的磁导率仅为退火后磁导率的 5%左右 结构设计要点（续）结构设计要点（续）6.合理设计屏蔽体的结构：在垂直于磁力线方向不应开口或有缝隙。因为若缝隙垂直于磁力线,则会切断磁力线,使磁阻增大,磁屏蔽效

15、果变差。7.接缝常用的连接方式有熔焊、点焊、铆接和螺钉连接，熔焊具有最佳的屏蔽性能，点焊、铆接、螺钉连接注意应有足够的重叠及适当的固定间距8.当需要屏蔽的磁场很强时，可增加屏蔽体壁厚，壁厚不宜超过2.5mm，还可考虑双层屏蔽，双层屏蔽体材料可相同也可不同，外层磁场强，外层选用饱和磁感应强度高的材料常用合金磁特性常用合金磁特性磁屏蔽结构示例磁屏蔽结构示例高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽 定义：是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽目的高频磁场反磁场结构设计要点结构设计要点 1.屏蔽材料宜选用良导体材料，常用铝、铜及铜镀银等，电阻愈小，产生涡流愈大 2.由于高频电流的集肤效应，涡流

16、仅在屏蔽盒的表面薄层流过，无须从屏蔽效果考虑屏蔽体厚度，一般取0.2mm0.8mm即可 3.屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有开口或缝隙 4.磁屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果屏蔽盒结构示例屏蔽盒结构示例电磁场屏蔽电磁场屏蔽定义：综合考虑对电场、磁场的屏蔽，电磁波通过金属或对电磁波有衰减作用的阻挡层时，会受到一定程度的衰减。屏蔽效果：S=A+R+B S:总的屏蔽效果 A:吸收损耗的衰减 R:反射损耗的衰减 B:金属内容多次反射衰减用于屏蔽的金属特性用于屏蔽的金属特性屏蔽效能要点屏蔽效能要点 以屏蔽层与场源距离为某一定值情况下，场源频率由低频到高频变化为例：1.以/6为分界线，与场源距离/6,属远场

17、区域，以电磁场为主 2.在低频端，屏蔽层处于近场区，吸收损耗小，以反射损耗为主，近区电场的反射损耗大于磁场的反射损耗，低频磁场难屏蔽 3.在高频端，屏蔽层处于远场区，反射损耗随频率上升下降，吸收损耗加快 4.屏蔽层厚、场源频率高，以吸收损耗为主，屏蔽层薄、场源频率低，以反射损耗为主实际屏蔽体的问题实际屏蔽体的问题通风孔显示屏键盘指示灯电缆插座按钮实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙、通风孔、按键、指示灯、显示屏、信号线、电源线等电源线缝隙缝隙屏蔽缝隙屏蔽 缝隙泄露产生机理：接触上的点相当于电阻，没有接触上的相当与电容，整个缝隙就是许多电阻和电容的并联，缝隙阻抗越小，电磁泄露越小。增加屏

18、蔽深度t、减小缝隙长度L，屏蔽效能会提高缝隙屏蔽类型缝隙屏蔽类型1.永久性接缝：连接在一起后不再分离的接缝，如机箱底板多个面折弯后的缝隙2.非永久性（可拆式）接缝：零件装配后形成的风险，如机箱底板、盖板装配，可插拔单盘装好后与周围形成的缝隙永久缝隙屏蔽措施永久缝隙屏蔽措施 1.一般采用焊接工艺，如熔焊、钎焊、点焊及铆接 熔焊：是指焊接过程中，将焊接接头在高温等的作用下至熔化状态，分为电弧焊、激光焊、气体保护焊 钎焊：用比母材熔点低的钎料和焊件一同加热，使钎料熔化(焊件不熔化)后润湿并填满母材连接的间隙，钎料与母材相互扩散形成牢固连接的方法。点焊：钣金厂家比较多见的设备，工作时两个电极加压工件使

19、两层金属在两电极的压力下形成一定的接触电阻，而焊接电流从一电极流经另一电极时在两接触电阻点形成瞬间的热熔接，且焊接电流瞬间从另一电极沿两工件流至此电极形成回路，不伤及被焊工件的内部结构永久缝隙屏蔽措施（续）永久缝隙屏蔽措施（续）2.增加缝隙深度:同样重叠情况下，屏蔽效能随频率升高而降低3.在接缝处涂上导电涂料，供屏蔽使用的导电涂料用银粉与环氧树脂配置而成，常用的有导电胶、导电脂，导电胶固化后永久连接，导电脂用于活动的端面和铰链轴承处非永久缝隙屏蔽措施非永久缝隙屏蔽措施1.增加缝隙深度2.调整螺钉间距3.缝隙处使用导电填胶，是一种不固化的导电胶4.使用电磁密封衬垫高强度、高弹性、高屏蔽效果耐腐蚀

20、性强、抗疲劳强度高材料分为铍青铜、磷铜、不锈钢 金属簧片金属簧片L型、矩型、型、矩型、D型导电布衬垫型导电布衬垫由泡棉和导电布组成，导电布由Ni/Cu、铝箔、铜箔等形式泡棉芯的可压缩性和回弹力使其适合低封闭力的场合要求 型导电布衬垫型导电布衬垫适合于型材截面安装金属丝网条金属丝网条是由金属丝网包覆氯丁橡胶或硅橡胶芯组成，良好的压缩性和回复力能提供对灰尘、雨水和其他有限环境条件下的密封金属丝材料主要为Monel（镍铜合金），具有良好的屏蔽性能和抗腐蚀性能导电橡胶导电橡胶 材料分类配方-Ag/Cu 导电橡胶 Ag/Al 导电橡胶 Ag/Glass导电橡胶 添加玻璃银导电粉 Ni/C 导电橡胶 C导

21、电橡胶 制造分类-挤出类根据截面要求定制，有连续的长度 共挤出类导电与不导电橡胶组合复杂形状 模压类：通过使用特殊的模具在高温高压下生产 共模压类导电与不导电橡胶组合复杂形状 共挤共模一般用于耐腐蚀性要求较高的场合 导电性好、耐腐蚀性差 耐腐蚀性置于外侧，导电性置于内侧 共挤出导电橡胶共挤出导电橡胶接插件专用导电橡胶产品接插件专用导电橡胶产品导电橡胶多种截面形状导电橡胶多种截面形状EMI 屏蔽胶带屏蔽胶带铜铝导电布是一种带高导电背胶的导电箔带，其背胶和导电箔带组成完整的导电体，可与任何金属以粘结方式完成电搭接和缝隙电屏蔽，多用于测试时临时使用螺旋管电磁密封衬垫螺旋管电磁密封衬垫有不锈钢和镀锡铍

22、铜采用沟槽式安装一般具有PVC内芯，内芯是防止在使用过程中过量压缩而导致损坏 各种缝隙屏蔽材料比较各种缝隙屏蔽材料比较 各种缝隙屏蔽材料比较（续）各种缝隙屏蔽材料比较（续）电磁密封衬垫选型考虑方面电磁密封衬垫选型考虑方面 1.屏蔽效能，环境密封性能 2.根据可利用的结构空间考虑安装方法 3.衬垫材质及形状、压缩量、永久压缩变形率 4.同时考虑机械耐久性、电腐蚀性、成本、衬垫使用寿命通风孔屏蔽通风孔屏蔽 影响因素：场源特性，距离场源距离、电磁场频率、空洞面积和空洞形状，与空洞的最大线性尺寸密切相关通风孔屏蔽措施通风孔屏蔽措施 1.覆盖金属丝网特点：1）与网丝直径、网孔疏密程度、网材电导率有关，网

23、孔越小、电导性越好，屏蔽效果越好；2）适合于频率f100MHz的环境 2)低于截止频率fc的电磁波不能通过波导管，高于截止频率fc的电磁波可以通过；3)选型：按fc确定波导管截面形状，按屏蔽效能确定波导管的长度，根据散热要求确定波导管面积通风窗示例通风窗示例1.金属丝网 2.截止波导面板上开孔屏蔽面板上开孔屏蔽 面板上开孔类型：灯孔、RJ45、RS232、开关、按键以及各种形式的光口法兰开孔 解决措施：1）与面板平行 2）与面板垂直面板上开孔屏蔽（续）面板上开孔屏蔽（续）3）LED灯孔，导光柱孔，直径小于5mm的孔建议不用考虑 4）对屏蔽要求较高的法兰，可选用自身具有EMC功能的型号，价格贵，

24、采购周期长显示屏开孔屏蔽显示屏开孔屏蔽 1.采用透明屏蔽材料 1）两层玻璃之间粘接金属网，适合高频，屏蔽效能较高 2）玻璃和透明塑料膜上镀导电层，适合于低频 2.透明屏蔽材料安装 1）屏蔽材料与基体之间良好电搭接 2）使用导电涂覆层时，导电层不宜之间暴露在外面，防止擦伤高性能屏蔽玻璃高性能屏蔽玻璃滤波基础知识认识滤波器认识滤波器 滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器，按功用常分为：信号选择滤波器：有效去除不需要的信号分量 电磁干扰滤波器：以有效抑制电磁干扰为目标 除了浪涌干扰以外，各种形式的传导干扰问题（传导发射和敏感度）都可以通过电源线滤波器解决滤波

25、器的作用滤波器的作用信号滤波器电源滤波器削弱干扰沿电源线或信号线的传播，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。防止设备本身产生的电磁干扰通过电源线进入电网，同时防止电网上的干扰通过电源线进入设备。PCB 滤波器滤波器常规滤波器常规滤波器IEC 滤波器滤波器馈通滤波器馈通滤波器滤波器滤波器滤波器安装常见错误滤波器安装常见错误1绝缘漆PCB接地线电源电源注意：滤波器通过细线接地，高频效果很差！注意：滤波器通过细线接地，高频效果很差！滤波器安装常见错误滤波器安装常见错误2滤波器滤波器输入、输出耦合PCB电源电源滤波器容易发生滤波器容易发生“高频短路高频短路”滤波器安装常见错误滤波器安装常见错误3PCB滤波器

26、滤波器输入线过长电源电源引线尽量短引线尽量短滤波器正确使用示例滤波器正确使用示例1滤滤波波器器PCB电源滤波器直接接地滤波器直接接地对滤波器对滤波器输入、输出线进行隔离输入、输出线进行隔离滤波器正确使用示例滤波器正确使用示例2PCB 滤波电路滤波电路高频共模滤波器高频共模滤波器注意：在滤波器安装在线路板上的情况下，在电源线入口注意：在滤波器安装在线路板上的情况下，在电源线入口处增加一只高频共模滤波器，会有比较理想的滤波效果。处增加一只高频共模滤波器，会有比较理想的滤波效果。滤波器正确使用示例滤波器正确使用示例3滤滤波波器器机机箱箱滤滤波波器器机机箱箱屏蔽体外壳直接安装在金属外壳上屏蔽体外壳直接安装在金属外壳上