結(jié)構(gòu)工程師必須掌握的EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計知識

結(jié)構(gòu)工程師必須掌握的EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計知識1.EMC簡單介紹EMC的概念：電磁兼容（ElectromagneticCompatibility,EMC）其定義為“設(shè)備和系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”。EMC包含兩個方面的意思，首先，設(shè)備能夠抵抗所接受到的干擾而正常工作(即EMS)；其次，設(shè)備所發(fā)射的電磁干擾不能影響其它設(shè)備的正常工作(即EMI)。生活中的EMC：飛機上限制使用手機等電子設(shè)備，是因為手機等有可能會對機載設(shè)備造成電磁干擾，引起機載設(shè)備性能下降或者功能喪失，影響飛機飛行安全。有時乘客會偷偷使用手機，為什么沒有“引起機載設(shè)備性能下降或者功能喪失”？這是因為飛機的“電磁兼容性”設(shè)計有很高的安全裕度。隨著電子電氣設(shè)備越發(fā)密集的應(yīng)用，電磁兼容性引起工業(yè)制造領(lǐng)域各設(shè)備制造商的廣泛關(guān)注，民用飛機電磁兼容性設(shè)計驗證更是有著嚴格的適航要求。電磁兼容性設(shè)計工作基于一個重要的現(xiàn)象：電子電氣設(shè)備在正常工作時，既對外部空間發(fā)射電磁能量，也容易被外來電磁能量干擾?，F(xiàn)代民機作為高度集成各種電子設(shè)備的精密系統(tǒng)，任何關(guān)鍵設(shè)備的正常工作受到影響，后果都將不堪設(shè)想。例如，飛機若想按照事先規(guī)劃的航路飛行以確?？沼驎惩ê徒^對安全，在飛行中需要時刻與地面塔臺保持聯(lián)系，這有賴導(dǎo)航系統(tǒng)的準確定位，且通信系統(tǒng)能快速清晰傳達和接收信息。如果電磁兼容工作不到位，同時工作的其他設(shè)備所發(fā)射的電磁能量經(jīng)過疊加，可能超過一般設(shè)備的耐受上限，通過線纜傳導(dǎo)或者空間耦合等機理進入通信、導(dǎo)航等系統(tǒng)，輕則降低系統(tǒng)工作性能，重則損壞電路，使系統(tǒng)徹底失效。電磁干擾作為一種可傳播的能量，從發(fā)射源產(chǎn)生通過耦合路徑最后到達受影響設(shè)備。上述三者即電磁兼容三要素。民機設(shè)計師通過“三要素”開展電磁兼容工作。比如，在設(shè)計初期，通過優(yōu)化“發(fā)射源”的設(shè)計，使其降低無意泄漏的電磁能量；在系統(tǒng)安裝集成階段，通過增加敏感設(shè)備之間的隔離距離，“切斷”耦合路徑；在系統(tǒng)驗證階段，如果發(fā)現(xiàn)了電磁兼容問題，再針對性地為問題設(shè)備增加屏蔽層。在飛機上限制使用手機，就是為了減少“發(fā)射源”，降低外來電子設(shè)備對機載設(shè)備的電磁干擾，尤其是飛行起降階段，飛機與塔臺通信頻繁，為了不影響導(dǎo)航等機載設(shè)備的正常使用，應(yīng)該盡量少用手機。當然，也曾經(jīng)出現(xiàn)過手機干擾飛機飛行的事情發(fā)生。國內(nèi)某航空公司的一名機長描述，他就曾遇到過手機干擾飛機飛行的情況，當時，飛機下降找跑道時，連方向都找反了?！疤ｋU了，還好沒出事?！?.EMC設(shè)計1.EMC設(shè)計的內(nèi)容：EMC設(shè)計可分為：信號設(shè)計、線路設(shè)計、屏蔽、接地、濾波、合理布局其中與結(jié)構(gòu)關(guān)系較大的有：屏蔽、接地、合理布局注意：并不代表其它措施與結(jié)構(gòu)設(shè)計完全無關(guān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計亦需配合完成其它措施比如合理布局。2.EMC設(shè)計基本目的：產(chǎn)品內(nèi)部的電路互相不產(chǎn)生干擾，達到預(yù)期的功能。產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾強度低于特定的極限值。產(chǎn)品對外界的電磁干擾有一定的抵抗能力3.EMC設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)各階段的成本：在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，解決EMC問題的途徑多，將花費較少的成本；到產(chǎn)品生產(chǎn)后期再采取解決EMC的技術(shù)措施，將受到各種情況的制約。并且，采用同樣的技術(shù)措施，在生產(chǎn)后期采用時，將大大增加產(chǎn)品成本，延長產(chǎn)品開發(fā)周期?！鳨MC設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)各階段的成本因此，隨著產(chǎn)品開發(fā)向前推進，解決EMC的成本越來越高。因此，EMC設(shè)計越早進行越好，千萬不要等到EMC測試出現(xiàn)問題了，再去急急忙忙的查找原因、尋找解決方案。4.傳統(tǒng)EMC對策：產(chǎn)品在進行實際測試的時候，EMC問題實際發(fā)生了，開始查找EMC問題，使用的工具：頻譜儀和近場探頭此時能夠采取的手段是：屏蔽和濾波傳統(tǒng)EMC對策存在的問題是：需要考慮設(shè)備內(nèi)部【板間，板內(nèi)信號間】EMI問題，不能使用屏蔽/濾波手段；屏蔽和濾波會導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計修改，增加產(chǎn)品成本和延長產(chǎn)品開發(fā)周期；信號頻率與干擾頻率一致，不能采用濾波；頻率提高，布線、屏蔽體、機箱等成為天線；高頻信號耦合到電纜，由電纜發(fā)射；產(chǎn)品開發(fā)最后階段解決EMC問題的唯一辦法是：屏蔽和濾波。但是，用屏蔽能解決所有的EMC問題？屏蔽策略的隱患：機箱及屏蔽材料的變形及損壞，產(chǎn)生電磁泄漏這種對策的結(jié)果是：有利于通過EMC，但是會惡化內(nèi)部干擾，影響設(shè)備穩(wěn)定性，增加抗干擾的要求。5.EMC對策新理念：▲全面的EMC管理EMC對策的新理念是進行全面的EMC管理，盡早進行EMC設(shè)計：EMC是一項系統(tǒng)工程：早考慮，成本低，手段多，效率高；需要產(chǎn)品開發(fā)團隊協(xié)同配合，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計。充分利用現(xiàn)有的EMC設(shè)計規(guī)范和設(shè)計指南（專家的經(jīng)驗），當然，在使用的時候需要思考：設(shè)計能全部按照設(shè)計規(guī)則執(zhí)行嗎？所有理論在所有場合都正確嗎？合理使用仿真技術(shù)，把問題扼殺在萌芽階段。PCB板設(shè)計的仿真：Hyperlynx。電子電路仿真：Pspice、Serenade。精度與速度，實際問題實際解決。使用測量技術(shù)，使用一般儀器進行對比測試。引入電磁場掃描技術(shù)，進行EMC預(yù)兼容測試。6.EMC設(shè)計的流程：7.EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗：在項目的早期就參與結(jié)構(gòu)設(shè)計，由硬件工程師主導(dǎo)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而不是被動地接收已有的結(jié)構(gòu)造型，然后千方百計地想辦法怎樣才能在現(xiàn)有的造型基礎(chǔ)上盡量滿足性能、EMC等的要求，要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中起到主導(dǎo)性的作用；盡早設(shè)計出3D圖，針對3D圖，組織各方面的人員反復(fù)討論，權(quán)衡利弊，就EMC而言，要針對3D圖去發(fā)現(xiàn)問題，填補問題，這樣的互動要進行很多次，直至能得到一個比較滿意的結(jié)果；屏蔽結(jié)構(gòu)的使用，哪些板卡需要屏蔽、哪些可以不要，未屏蔽的板卡要針對EMC采取哪些預(yù)防措施，PCB本身也許就可以作為EMC的屏蔽體；線材處理，包括內(nèi)部模塊互連線（暴露在屏蔽殼之外）及外部接口線，是否已經(jīng)在母板、連接板或輸出板等位置預(yù)留濾波措施。3.EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計之屏蔽1.什么是屏蔽：屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一。屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。2.屏蔽設(shè)計的基本原則：屏蔽體結(jié)構(gòu)簡潔，盡可能減少不必要的孔洞，盡可能不要增加額外的縫隙；結(jié)構(gòu)方面影響孔洞屏蔽效能的因素主要有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔間距以及孔的數(shù)量，其中影響最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。需要注意的是屏蔽效能只與孔的最大尺寸有關(guān)，而與孔的面積并沒有直接關(guān)系，因此在設(shè)計中盡量開圓孔，其次考慮是開方孔，盡量避免開長腰孔；通風(fēng)孔盡量采用圓孔并陣列排放。屏蔽和散熱有矛盾時盡可能開小孔，多開孔；另外，可以讓縫隙或長條形通風(fēng)孔循著磁場方向分布，這有利于屏蔽體在磁場方向的磁阻減小；兩個零件結(jié)合在一起，結(jié)合面的縫隙是影響結(jié)構(gòu)件屏蔽效能的主要因素。如果不安裝屏蔽材料，結(jié)構(gòu)方面影響縫隙屏蔽效能的因素主要有：縫隙的最大尺寸、縫隙的深度等。如果縫隙中安裝屏蔽材料，縫隙的屏蔽效能還與屏蔽材料自身的特性有關(guān)。在實際設(shè)計中縫隙的最大尺寸與：緊固點的距離、零件的剛性、結(jié)合面表面的精度等因素有關(guān)；足夠重視電纜的處理措施，電纜的處理往往比屏蔽本身還重要；足夠細心，電磁兼容設(shè)計必須注意每一個小環(huán)節(jié)，稍不注意就可能功虧一蕢；屏蔽體的電連續(xù)性是影響結(jié)構(gòu)件屏蔽效能最主要的因素，相對而言，材料本身屏蔽性能的影響是微不足道的（低頻磁場例外）；對于強磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。對要屏蔽外部強磁場的，則屏蔽體外層要選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；而內(nèi)部可選用容易達到飽和的高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金等。反之，如果要屏蔽內(nèi)部強磁場時，則材料排列次序要倒過來。在安裝內(nèi)外兩層屏蔽體時，要注意彼此間的磁絕緣。當沒有接地要求時，可用絕緣材料做支撐件。若需要接地時，可選用非鐵磁材料（如銅、鋁）做支撐件。但從屏蔽體能兼有防止電場感應(yīng)的目的出發(fā)，一般還是要接地的；提高磁場屏蔽效能的主要措施有：選用高導(dǎo)磁率的材料（如坡莫合金）以及增加屏蔽體的壁厚；以上兩條均是為了減少屏蔽體的磁阻；被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減少通過被屏蔽物體體內(nèi)的磁通。3.機箱（或屏蔽盒）之屏蔽：前面所述都把電磁屏蔽體看成是一個全封閉的屏蔽體，亦即它在電氣上是連續(xù)均勻的，沒有孔隙的。但在實際中，這種屏蔽體并不存在，現(xiàn)實中機箱都有空隙，在電氣上并不連續(xù)，導(dǎo)致其屏蔽效能會降低。下面是機箱（或屏蔽盒）設(shè)計中的一些基本做法：（1）結(jié)構(gòu)材料1）適用于底板和機殼的材料大多數(shù)是良導(dǎo)體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場，主要的屏蔽機理是反射而不是吸收。2）對磁場的屏蔽需用鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率合金和鐵。主要的屏蔽機理是吸收而不是反射。3）在強電磁場環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場和磁場兩種成分，因此需要結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。4）對于塑料殼體，是在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或者使用導(dǎo)電塑料。必須盡量減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機殼進出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效能的結(jié)構(gòu)措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長度，在接合面上加入導(dǎo)電襯墊，在接縫處涂上導(dǎo)電涂料，縮短螺釘間距等。（2）對于塑料殼體的表面處理方法2）可靠性要求鍍層在使用過程中屏蔽能力基本不降低﹐附著力良好﹐鍍層如有脫落﹐不但影響屏蔽性能﹐而且落入儀器內(nèi)部能造成短路事故。對可靠性的鑒定是按有關(guān)標準進行冷—熱循環(huán)﹐高溫與低溫實驗后﹐對鍍層的導(dǎo)電性和附著力進行檢驗。3）脆性要求鍍層按有關(guān)標準進行沖擊試驗后﹐不應(yīng)有剝落。（3）縫隙在底板和機殼的每一條縫和不連續(xù)處要盡可能好地搭接，以防電磁能的泄漏和輻射，盡可能采用焊接。若條件受限，可用點焊、小間距的鉚接和用螺釘來固定；在不加導(dǎo)電襯墊時，螺釘間距一般應(yīng)小于最高工作頻率的1％波長，至少不大于1/20波長；用螺釘或鉚接搭接時，應(yīng)首先在縫中部搭接好，然后逐漸向兩端延伸，以防金屬表面的彎曲；保證緊固方法有足夠的壓力，以便在有變形應(yīng)力、沖擊、振動時保持表面接觸，當需要活動接觸時，使用指形壓簧（而不用網(wǎng)狀襯墊），并要注意保持彈性指簧的壓力；在接縫不平整的地方，或在可移動的面板等處，必須使用導(dǎo)電襯墊或指形彈簧材料；選擇高導(dǎo)電率、彈性好的、硬韌材料做成的襯墊。選擇襯墊時要考慮接合處所使用的頻率并保證同襯墊配合的金屬表面沒有非導(dǎo)電保護層；導(dǎo)電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或線形襯墊將出現(xiàn)最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導(dǎo)電膠是鹽霧環(huán)境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料。4.常用屏蔽材料1.導(dǎo)電布導(dǎo)電布是以纖維布（一般常用聚酯纖維布）為基材，經(jīng)過前置處理后施以電鍍金屬鍍層使其具有金屬特性而成為導(dǎo)電纖維布?？煞譃椋哄冩噷?dǎo)電布，鍍金導(dǎo)電布，鍍炭導(dǎo)電布，鋁箔纖維復(fù)合布。外觀上有平紋和網(wǎng)格區(qū)分。2.導(dǎo)電泡棉(ConductiveFoamorGasket)導(dǎo)電泡棉襯墊(CF)制成的板料。方形條。及用于電腦接口的I/O屏蔽襯墊。有半（橢）圓形、腰圓形、矩形、方形、C形等。C形常用于機柜門、插箱門等需要較大壓縮量的屏蔽場合。3.指型簧片(FingerStock)由特殊合金鈹青銅制成的指形簧片，能夠解決其它襯墊不能在剪切方向受力問題，彈性好，形變范圍大，低頻段和高頻段屏蔽性能優(yōu)勢。指形簧片有指形、C形等多種截面，適合于滑動接觸，常用于插箱、插件、機柜、鈑金面板的屏蔽。指形簧片安裝結(jié)構(gòu)不良時易損壞，接觸面較少；應(yīng)安裝在一個凹入的或內(nèi)側(cè)凸緣內(nèi)，以減少受到機械損傷的可能性。4.導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠是將微細導(dǎo)電粒均勻分布在硅橡膠中的方法制成。它既保持住橡膠原有水汽密封性能和彈性，同時有高導(dǎo)電性。導(dǎo)電橡膠有圓形、D形、環(huán)形等。異形用于室外機柜密封，既可防水，也可以屏蔽。導(dǎo)電橡膠的缺點：幾乎無插入損耗，射頻性能較差。5.點膠Form-In-PlaceElastomer導(dǎo)電膠是在硅樹脂中摻銅鍍銀顆粒精致而成，具有優(yōu)良導(dǎo)電性和粘接強度，通過點膠方法直接成型于機殼上。6.屏蔽罩BoardLevelShielding7.金屬編織網(wǎng)：用鈹銅絲、蒙乃爾絲或不銹鋼絲編織成管狀長條，外形很像屏蔽電纜的屏蔽層。但它的編織方法與電纜屏蔽層不同，電纜屏蔽層是用多根線編成的，而這種屏蔽襯墊是由一根線織成的。打個形象的比喻，就像毛衣的袖子一樣。為了增強金屬網(wǎng)的彈性，有時在網(wǎng)管內(nèi)加入橡膠芯8.屏蔽通風(fēng)板：通風(fēng)口是電磁干擾主要泄露部分之一，以前采用在機箱板上開小孔或加金屬網(wǎng)的常規(guī)方法,其屏蔽性能已不能達到期望水準。蜂窩式屏蔽通風(fēng)板的出現(xiàn)解決了這個問題。屏蔽通風(fēng)板主要應(yīng)用于電子設(shè)備的必要通風(fēng)開口處，可兼顧EMI屏蔽和良好通風(fēng)的雙重作用。根據(jù)軍民用的不同使用場合和不同使用環(huán)境，它有不同的材質(zhì)、鍍層和形狀，材料包括優(yōu)質(zhì)低碳鋼、不銹鋼、黃銅、鋁合金等。9.其它屏蔽材料：導(dǎo)電膠、導(dǎo)電玻璃、導(dǎo)電塑料和磁環(huán)等10.屏蔽材料的選用原則選擇使用什么屏蔽材料時要考慮四個因素：屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構(gòu)要求和成本要求等：首選導(dǎo)電襯墊和簧片?？p隙屏蔽一般采用導(dǎo)電襯墊和簧片，均可實現(xiàn)正壓安裝和插入安裝兩種形式。特殊情況下，例如壓鑄件和型材，在導(dǎo)電襯墊和簧片不能滿足要求時考慮使用其他類型的屏蔽材料。雖然縫隙屏蔽效能與實際安裝有極大關(guān)系，建議導(dǎo)電布襯墊于屏蔽效能最高為30dB／1GHz的情況，簧片用于屏蔽效能高于30dB／1GHz的場合或者活動位置（例如機柜門、拉手條）。限制使用螺旋管型襯墊。除拉手條和屏蔽機柜外，避免使用螺旋管型襯墊。導(dǎo)電橡膠限制