EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南(1).ppt

p1 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁遮罩材料設(shè)計者指南 1 資料整理 BECK ZHANG 03 22 2004 p2 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 設(shè)計的緊迫性本章講解 設(shè)計的緊迫性 爲本書重點介紹實際技術(shù)提供背景 首先簡單介紹 符合性測試的要求 然後介紹相關(guān)的法規(guī)和標準 最後復習一下電磁遮罩的理論 以爲讀者提供足夠的知識來選擇適當?shù)恼谡旨夹g(shù) 什麼是電磁相容性 電磁相容是一臺設(shè)備在所處的環(huán)境中能滿意地工作的能力 它既不對其他設(shè)備造成干擾 也不受其他干擾源的影響 干擾的定義是能引起誤動作或性能下降的電磁能量 今後我們稱爲 正大光明公正無私幫助別人成就自己 p3 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 表1 1電磁干擾源和敏感器 4 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 任何一個電磁能量會産生擴散的球面波 這種波在所有方向上傳播 在任何一點 這種波包含相互垂直的電場分量和磁場分量 這兩種分量都垂直於波的傳播方向 這種情況如圖 所示 雖然如圖 所示的頻譜中的任何頻率的都能引起干擾 但主要問題是由 z z範圍內(nèi)的射頻能量引起的 射頻干擾 是電磁干擾的一種特殊形式 光 熱和 射線是電磁能量的其他特殊形式 電磁干擾需要兩個基本條件 電磁能量源和對這個源産生的特定幅度 頻率的能量敏感的器件 稱爲敏感器 表 給出了一些常見的源和敏感器 另外 在源和敏感器之間還需要傳播路徑來傳輸能量 電磁干擾遮罩通常改變電磁能量傳播路徑來達到的 圖1 1電磁場 圖1 2電磁譜 p5 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 電磁干擾分爲兩類 輻射干擾和傳導干擾 這是由傳播路徑的類型來定的 當一個器件發(fā)射的能量 通常是射頻能量 通過空間到達敏感器時 稱爲輻射干擾 干擾源既可以是受干擾系統(tǒng)中的一部分 也可以是完全電氣隔離的單元 傳導干擾的産生是因爲源與敏感器之間有電磁線或信號電纜連接 干擾沿著電纜從一個單元傳到另一個單元 傳導干擾經(jīng)常會影響設(shè)備的電源 這可以通過濾波器來控制 輻射干擾能影響設(shè)備中的任何信號路徑 其遮罩有較大難度 輻射電磁能量成爲電磁干擾的機理可以由法拉第定律來解釋 這個定律表明當一個變化的電場作用于一個導體時 在這個導體上會感應(yīng)出電流 這個電流與工作電流無關(guān) 但是電路會象與工作電流一樣來接收這個電流並發(fā)生回應(yīng) 換句話說 隨機的射頻信號能夠向電腦發(fā)出指令 使程式發(fā)生變化 技術(shù)驅(qū)動力有許多因素使 成爲電子設(shè)備設(shè)計中重要的內(nèi)容 首先 日益增多的電子設(shè)備帶來了許多電磁干擾源和敏感器 這增加了潛在的干擾 設(shè)備的小型化使源與敏感器靠得很近 這使傳播路徑縮短 增加了干擾的機會 器件的小型化增加了它們對干擾的敏感度 由於設(shè)備越來越小並且便於攜帶 象汽車電話 膝上電腦等設(shè)備隨處可用 而不一定局限於辦公室那樣的受控環(huán)境 這也帶來了相容性問題 例如 許多汽車裝有包括防抱死控制系統(tǒng)在內(nèi)的大量的電子電路 如果汽車電話與這個控制系統(tǒng)不相容 則會引起誤動作 p6 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展降低了電磁干擾的閾值 例如 大型積體電路片較較低的供電電壓降低了內(nèi)部雜訊門限 而它們精細的幾何尺寸的較低的電平下就受到電弧損壞 它們更快的同步操作産生更尖的電流脈衝 這會帶來從 埠産生寬帶發(fā)射的問題 一般來說 高速數(shù)位電路比統(tǒng)的類比電路産生更多的干擾 傳統(tǒng)上 電子線路裝在金屬盒內(nèi) 這種金屬盒能夠通過切斷電磁能量的傳插路徑來提供遮罩作用 現(xiàn)在 爲了減輕重量 降低成本 越來越多地採用塑膠機箱 塑膠機箱對與電磁干擾是透明的 因此敏感器件處於無保護的狀態(tài) 法律的變化也是驅(qū)動力支一 控制電磁發(fā)射和敏感度的強制標準的實施 迫使製造商們實施 計劃 産品可靠性的法規(guī)將使可靠性成爲頭等重要的事項 因爲一旦設(shè)備由於干擾而産生誤動作造成傷害 製造商要承擔法律責任 這對於醫(yī)療設(shè)備特別重要 在競爭日益激烈的工業(yè)中 可靠性已經(jīng)成爲電子設(shè)備的一個重要市場特徵 自動化設(shè)備 特別是醫(yī)療設(shè)備 必須連續(xù)工作 這時設(shè)備內(nèi)的 遮罩技術(shù)提高了設(shè)備的可靠性 對於資料保密的要求是遮罩市場發(fā)展的一個重要動力 已有報道揭露美國駐莫斯科使追究中的資訊已被前蘇聯(lián)竊取到 這是通過接收使館內(nèi)設(shè)備産生的電磁能量來實現(xiàn)的 同樣的技術(shù)也被用來截獲密碼 然後攻擊銀行電腦系統(tǒng) 通過遮罩 設(shè)備的電磁發(fā)射能夠減小 提高系統(tǒng)的安全性 現(xiàn)在 人們越來越開始注意各種輻射對健康的影響 過量的 射線和紫外線照射的危險已經(jīng)被充分證明了 現(xiàn)在討論的焦點是微波和射頻顯示單元産生的輻射對婦女健康的傷害 因爲已經(jīng)有充分的證據(jù)說明在高壓線附近生活會患疾病 正大光明公正無私幫助別人成就自己 p7 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 法規(guī)和標準對於設(shè)備工程師 瞭解不同市場中對電子設(shè)備的 法規(guī)和標準的知識是十分必要的 現(xiàn)在有許多關(guān)於産品輻射和傳導發(fā)射限制的國家標準和國際標準 有些還規(guī)定了對各種干擾的最低敏感度要求 通常 對於不同類型的電子設(shè)備有不同的標準 表 給出了一些電子設(shè)備的標準 雖然一個産品要獲得市場的成功 滿足這些標準是必要的 但符合這些標準是自願的 但是 有些國家給出的是規(guī)範 而不是標準 因此要在這些國家銷售産品 符合標準是強制性的 有些規(guī)範不僅規(guī)定了標準 還賦予當局罰沒不符合産品的權(quán)力 下面幾節(jié)簡單概述一下一些主要的管理機構(gòu)的電磁相容標準 p8 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 表1 2與電磁干擾和兼容相關(guān)的標準 p9 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 國際 是國際電工委員會 的一個分委會 它成立於 年 那時射頻干擾問題開始出現(xiàn) 這是編制防止無線電干擾標準的第一個國際化聯(lián)合組織 沒有編制法律或發(fā)佈法規(guī)的機構(gòu) 它所推薦的標準 只有當個別成員國採取適當?shù)男袆訒r 才能成爲法律 中推薦的針對資訊技術(shù)設(shè)備的傳導和輻射發(fā)射要求構(gòu)成了許多主要國家標準的基礎(chǔ) 不幸的是 有些國家在將這些推薦標準作爲國家標準時 進行了調(diào)整 這造成了不同國家的要求之間的差異 美國聯(lián)邦通信委員會 是負責頻率管理和干擾控制的政府機構(gòu) 有覆蓋多種設(shè)備發(fā)射限制的規(guī)範 綱要第 號 第 部分 第 分部適用於所有的數(shù)位設(shè)備 這些 規(guī)範給出了兩個不同的發(fā)射極限值 哪一個極限值適用取決於設(shè)備在什麼環(huán)境中使用 級設(shè)備被設(shè)計成在商業(yè)或工業(yè)環(huán)境中使用 更嚴格一引進的 級適用於在家庭或居民工內(nèi)使用的設(shè)備 沒有規(guī)定遮罩效能值 而規(guī)定了射頻發(fā)射值 表 給出了 級和 級和輻射發(fā)射極限值 表 給出了傳導發(fā)射極限值 所有在美國國內(nèi)使用的設(shè)備必須滿足 規(guī)範 雖然 的大部分強制性要求在第 部分 第 部分也與 有關(guān) 第 部分也與 有關(guān) 第 部分中有關(guān)於用於工業(yè) 科學和醫(yī)療目的的射頻發(fā)生設(shè)備的管理條例 它規(guī)定了在一些頻率點上允許的最大幅射值和 z至 z頻段內(nèi)這類設(shè)備可以使用的頻段 p10 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 表1 3FCC輻射干擾極限值 表1 4FCC傳導發(fā)射干擾極限值 p11 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 德國德國的關(guān)於干擾控制的法規(guī)是基於 制定的標準 相關(guān)的標準 覆蓋了所的産生或處理射頻能量的設(shè)備 這些極限值不僅適用於所有種類的計算和數(shù)位設(shè)備 還適用於工業(yè) 科學和醫(yī)療設(shè)備 唯一的限制是設(shè)備産生的基頻高於 z 對於數(shù)位設(shè)備的要求與 規(guī)定的相似 但是頻率範圍更寬 低頻拓寬到 z 極限值也分爲 級和 級 更嚴格的 級適用於通用的用途 級限於需要特殊安裝的設(shè)備 關(guān)於輻射和傳導的極限值在表 和表 6中給出 符合 是強制性的 並由德國郵電部執(zhí)行 p12 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 表 輻射干擾極限值 表 6 傳導發(fā)射干擾極限值 p13 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 英國從表 2中可以看出 英國標準協(xié)會發(fā)佈了好幾個關(guān)於 的標準 應(yīng)用最多的是 關(guān)於資料處理和電子辦公設(shè)備産生的亂真信號的極限值和測量方法 這個標準的範圍和內(nèi)容與 相同 儘管它們的標題不同 覆蓋於 z頻率範圍的 級要求適用於商業(yè)和工業(yè)場合的應(yīng)用 更嚴格的 級極限值適用於住宅區(qū)中使用的設(shè)備 兩級都包含準峰值和平均測量的要求 兩級的極限值數(shù)值是相同的 嚴格度是通過將測量距離從 米減小到 米來實現(xiàn)的 表 7給出了推薦的輻射場強極限值 表 8給出傳導發(fā)射的電壓極限值 表 輻射干擾極限值 表 傳導發(fā)射干擾極限值 p14 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 歐洲經(jīng)濟共同體爲了在歐共體內(nèi)實現(xiàn)單一的 標準 以適應(yīng) 實行的單一歐洲市場 歐洲委員會推行了歐共指令 它要求成員對所有的電子裝置的電磁相容性法規(guī)化 法規(guī)必須包含干擾和敏感度兩個方面 這個指令中定義的 裝置 包括所有電氣 電子應(yīng)用設(shè)備以及配套的電氣 電子器件 例外情況是出現(xiàn)在其他包含 要求的指令中的裝置 目前 這種例外包括機動車點火系統(tǒng)和某些電度錶 另外 不是用於商業(yè)目的的業(yè)餘無線電裝置也屬於例外 這個法規(guī)不僅適用於設(shè)備的新設(shè)計 也適用於指令實施後繼續(xù)生産的已有設(shè)計 歐洲委員會已經(jīng)責成 電工標準化歐洲組織 制定歐洲標準 成員國必須將這些標準與國家標準等同使用 任何矛盾的標準必須撤除 可以在 或 標準的基礎(chǔ)上應(yīng)用 但不一定要與它們等同 製造商有兩種方法來證明符合這個指令 即 自認證 和使用 技術(shù)構(gòu)造文件 使用自認證方法時 製造商通過自己測試或按照適當?shù)?進行測試 來認證産品是否符合 在這種方法中 沒有明確要求要使用特許的設(shè)施 但是 如果日後發(fā)現(xiàn)産品不符合 製造商將承擔法律責任 在關(guān)於産品符合性的爭端中 一個由特許測試部門提供的測試報告是十分有分量的 如果沒有相關(guān)的 或設(shè)備製造商不準備使用它 符合性只有通過編輯技術(shù)構(gòu)造文件來證明 這個文件描述的裝置 列出保證設(shè)備與指令一致的措施 並包含一個技術(shù)報告或權(quán)威部門的認證 在英國 一個權(quán)威部門是 國家測量批準服務(wù) 批準的 實驗室 任何權(quán)威部門提供認證在歐共體的所有成員國內(nèi)都是可行的 p15 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 軍用設(shè)備爲軍用設(shè)計的電子系統(tǒng)必須滿足 的要求 這個標準不僅規(guī)定了最大輻射發(fā)射和傳導發(fā)射的限制 還規(guī)定了系統(tǒng)對輻射和傳導干擾的敏感度要求 配套標準 規(guī)定了必要的測試裝置 商業(yè)公司經(jīng)常將 中的某些部分作爲産品內(nèi)部 規(guī)範 另一個關(guān)於 的軍用標準是保密的 計劃 這是用來保證保密通信系統(tǒng)安全的 現(xiàn)在可以接收並複現(xiàn)出大多數(shù)電子設(shè)備政黨工作時所發(fā)射的功率很低的射頻信號 象對電子竊聽很脆弱的 終端那樣的軍用産品就屬於 的範疇 在實踐中 控制設(shè)備發(fā)射 使無法解譯攜帶資訊的信號 由於關(guān)於 的法規(guī)和標準十分複雜 關(guān)於資訊技術(shù)設(shè)備的相關(guān)標準總結(jié)在表 中 一些標準的頻率範圍在圖 中標明 p16 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 表1 9信息技術(shù)設(shè)備 ITE 的電磁兼容標準 p17 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 測試現(xiàn)有的規(guī)範和標準對産品輻射的電場強度的極限值是在 m m或 m處規(guī)定的 爲了測試設(shè)備是否滿足這些標準 需要一塊能提供被測件與天線之間對應(yīng)距離的足夠大的場地 測試場地的背景電磁能量大大低於測試範圍 被測設(shè)備所處的狀態(tài)必須與實際使用狀態(tài)相同 介面與適當?shù)耐庠O(shè)連接 被測系統(tǒng)要放在轉(zhuǎn)臺上 這樣可以通過旋轉(zhuǎn)來找到最大輻射信號 轉(zhuǎn)臺與天線放在同一個地面上 這樣就可以測量系統(tǒng)工作時的輻射了 這種測試也可以在半無反射室中進行 但一個合適的測試室其尺寸和成本都是可觀的 大多數(shù)輻射測試是在開闊場中進行 開闊場是精心選擇的 其電磁背景很低 周圍沒有反射物 如建築物 圖 是開闊場的示意圖 圖1 4開闊測試 p18 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 爲了獲得不同材料的遮罩效能 採用一些其他的測試方法 遮罩盒是最先開發(fā)的方法之一 在密封的遮罩盒內(nèi)放置接收天線的裝置如圖 所示 這個盒子上有一個方形的開口 將它放置在遮罩室內(nèi)使外界干擾最小 遮罩室內(nèi)有信號發(fā)生器和發(fā)射天線 被測材料的樣品牢固地夾在盒子的開口上 記錄下發(fā)射天線處的場強和接收天線處的場強 這種材料的遮罩效能就是兩個值的比值 純銅板可以用來作爲參考值 圖 所示的四個遮罩室的裝置可以用來提高測量精確度 並且拓寬測量的頻率範圍 圖1 5屏蔽盒測試 圖1 6屏蔽室測試 p19 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 遮罩的理論方法電磁波理是經(jīng)典的理論 麥克斯威爾 法拉第和其他人在電子學之前就建立了描述電場和磁場的基本方程式 然而 對實際中的複雜硬體幾乎不能直接應(yīng)用這些方程式 電場和磁場的衰減用從試驗中得到的方程式能夠更好的表達 這些方程式在遮罩的設(shè)計中廣泛應(yīng)用 有許多因素會影響電磁能量源周圍的場 源的種類賦予了場一些特徵 如輻射幅度 距離源的距離和電磁波傳輸?shù)拿浇榈奶匦远紩绊憟雠c遮罩之間的相互作用 在電磁遮罩中 波阻抗Zw是聯(lián)繫這些參數(shù)的有用的概念 波阻抗定義爲電場E與磁場H的比值 源上的驅(qū)動電壓決定了干擾的特性 例如 環(huán)天線中流動的電流與較低的驅(qū)動電壓對應(yīng) 結(jié)果是在天線附近産生較小的電場和較大的磁場 具有較低的波阻抗 另一方面 四分之一波長的距離上 所有源的波的阻抗趨近于自由空間的特徵阻抗 377歐姆 這時 稱爲平面波 作爲參考 1MHz的波長是300m 按照到源的距離 電磁波可以進一步分爲兩種 近場和遠場 兩種場的分界以波長 除以2 的距離爲分界點 2 附近的區(qū)域稱爲過渡區(qū) 源與過渡區(qū)是近場 超過這點爲遠場 近場波的特性主要由源特性決定 而遠場波的特性由傳播媒介決定 如果源是大電流 低電壓 則在的近場以磁場波爲主 高電壓 小電流的源産生電場爲主的波 在設(shè)計遮罩控制輻射時 這個概念十分有用 由於這時遮罩殼與源之間的距離通常在釐米數(shù)量級 相對於遮罩電磁波爲近場的情況 在遠場 電場和磁場都變爲平面波 即 波阻抗等於自由空間的特性阻抗 p20 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 知道干擾輻射的近場波阻抗對於設(shè)計控制方法是十分有用的 用能將磁通分流的高導磁率鐵磁性材料可以遮罩200KHz以下的低阻抗波 反過來 用能將電磁波中電向量短路的高導電性金屬能夠遮罩電場波和平面波 入射波的波阻抗與遮罩體的表面阻抗相差越大 遮罩體反射的能量越多 因此 一塊高導電率的薄銅片對低阻抗波的作用很小 對於任何電磁干擾 遮罩作用由三種機理構(gòu)成 入射波的一部分在遮罩體的前表面反射 另一部分被吸收 還有一部分在後表面反射 如圖1 7所示 圖1 7屏蔽對電磁干擾的衰減 p21 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 遮罩效能SE等於吸收因數(shù)A加上反射因數(shù)R 加上多次返射修正因數(shù)B 所有因數(shù)都以dB表示 SE A R B表1 10和表1 11給出了不同的遮罩效能 吸收損耗的計算公式如下 A 1 13t 式中 t 遮罩厚度 cm r 遮罩材料的相對導磁率 r 遮罩材料的相對導電率 f 頻率 Hz 由於吸收主要由遮罩厚度産生的 吸收因數(shù)對所有類型的電磁波都一樣 與近場還是遠場無關(guān) 以下是計算平面後反射損耗的公式 等於電場波和磁場波有類似的公式 R 168101g rf r dB p22 正大光明公正無私幫助別人成就自己 EMC電磁屏蔽材料設(shè)計者指南 表1 10信號強度的衰減