《電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計》第5章PPT課件.ppt

1、第5章 屏蔽技術(shù),5.1 電磁屏蔽原理 為了保證電設(shè)備的正常工作，需要對電磁波輻射進(jìn)行控制，在通常采取的技術(shù)中，比較有效的技術(shù)均是基于以下3項技術(shù)的： 一是優(yōu)化電路設(shè)計技術(shù)； 二是配線分離技術(shù)(該技術(shù)包括線路板設(shè)計的相關(guān)技術(shù))； 三是屏蔽技術(shù)。,電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區(qū)域向另一個區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。 電磁屏蔽的機理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。在外界交變電磁場作用下，通過電磁感應(yīng)屏蔽殼體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而這感應(yīng)電流在屏蔽空間又產(chǎn)生了與外界電磁場方向相反的電磁場，從而抵消了外界電磁場對屏蔽體內(nèi)電路的影響，產(chǎn)生了屏蔽效果。,5.2 屏蔽效能 電場強度與磁場強度之比稱為波阻抗。對于

2、任何已知電磁波，波阻抗是一個十分關(guān)鍵的參數(shù)，因為它決定了耦合效率，也決定了導(dǎo)體的屏蔽效能。,對電磁波產(chǎn)生衰減的作用就是電磁屏蔽，電磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量： SE = 20lg(E1/E2)dB或 SE = 20lg(H 1/H2)dB 其中E1為屏蔽前的場強 ，E2為屏蔽后的場強，1為屏蔽前的磁場強度，2為屏蔽后的磁場強度。,5.3電磁屏蔽的類型 電磁屏蔽一般分為：電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁屏蔽。 電場屏蔽又分為靜電屏蔽和交變電場屏蔽 磁場屏蔽又分為低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽,5.3.1 電場屏蔽 1.靜電場屏蔽 靜電干擾分為靜電場感應(yīng)產(chǎn)生的干擾和靜磁場耦合產(chǎn)生的干擾。它們都可以用屏蔽方

3、法來抑制。 靜電場主動屏蔽 設(shè)在帶正電荷的導(dǎo)體A附近有導(dǎo)體B，則導(dǎo)體B靠近導(dǎo)體A時，A的一側(cè)將會由于靜電感應(yīng)而帶負(fù)電。如果用金屬屏蔽體將導(dǎo)體A包圍起來，此時在屏蔽體的內(nèi)側(cè)就感應(yīng)出與導(dǎo)體A等量的負(fù)電荷，在外側(cè)出現(xiàn)等量的正電荷，電力線繼續(xù)到達(dá)導(dǎo)體B，而且使感應(yīng)電場更為復(fù)雜；如若將金屬屏蔽體接地，使屏蔽體的外側(cè)電場消失，導(dǎo)體B就不會受到感應(yīng)干擾。這就是靜電屏蔽的原理。,靜電屏蔽應(yīng)具有兩個基本要點，即完善的屏蔽體和良好的接地。,靜電場主動屏蔽,2.交變電場屏蔽,5.3.2磁場屏蔽1.低頻磁場屏蔽,磁場主動屏蔽和磁場被動屏蔽,2.高頻磁場屏蔽,5.3.3電磁屏蔽,5.4屏蔽效能的計算,5.4.1金屬平板

4、屏蔽效能的計算 屏蔽效能包括吸收損耗A、反射損耗R與多次反射損耗B三部分組成。,下圖是最常見的3種屏蔽體在厚度為1毫米時的吸收 損耗隨頻率變化的曲線。由曲線可以看出，金屬屏 蔽體的吸收損耗與材料本身的特性密切相關(guān)。,金屬屏蔽體的反射損耗不僅與材料本身的特 性(電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)有關(guān)，而且與金屬屏蔽體 所在的位置有關(guān)，還與場源特性有關(guān)。,5.5 電磁屏蔽材料 覆膜類電磁屏蔽材料與工藝 在機箱內(nèi)外壁上覆蓋一種或多種具有導(dǎo)電導(dǎo)磁的電磁波屏蔽膜，是對設(shè)備進(jìn)行屏蔽的一個非常重要的方法。其主要手段有：涂覆導(dǎo)電導(dǎo)磁涂料、金屬濺射、真空鍍鋁、電鍍、化學(xué)鍍以及粘貼金屬箔或復(fù)合箔等。 電磁輻射防護(hù)涂料包括：屏蔽涂料

5、、吸波涂料和屏蔽吸收型涂料。,屏蔽涂料 屏蔽涂料又稱為導(dǎo)電涂料，根據(jù)其組成和導(dǎo)電機理 又可分為兩大類：結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電涂料和摻雜型導(dǎo)電涂 料。 摻雜型導(dǎo)電涂料可大致分為三類：金屬系和碳素系 及二者的結(jié)合系即復(fù)合系， 金屬系導(dǎo)電涂料主要是以銀、銅、鎳等為填料的涂料。 碳素系主要指以高導(dǎo)電性和高結(jié)構(gòu)性碳黑做填料的導(dǎo)電涂料， 復(fù)合系主要是以貴金屬對金屬粉末、非金屬及金屬氧化物等粉末進(jìn)行包裹后做填料的涂料。,吸波涂料 吸波涂料是能夠吸收投射到它表面的電磁波能量、并通過材料的損耗轉(zhuǎn)變成熱能的一類材料。電磁波吸收材料的研究最早開始于軍事信息安全技術(shù)。 目前國內(nèi)外正在研制和已經(jīng)實用化的吸波材料和吸波體主要有以下幾

6、種： 鐵氧體系列吸波材料(鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鋇鐵氧體等)。 微粉吸波材料。 多晶鐵磁性金屬纖維。,?？朔螓}基視黃脂。 電介質(zhì)陶瓷吸波材料。 導(dǎo)電高分子材料 手性吸波材料 實際應(yīng)用中一般較少采用單一的材料做吸收體，并很少直接使用，而是采用電磁波吸收體的形式。 電磁波吸收體是為了取得最佳電磁波吸收效果而結(jié)構(gòu)化的電磁波吸收材料，它可以以商品的形式出現(xiàn)。目前已獲得實用化的吸收體結(jié)構(gòu)有：,單層結(jié)構(gòu)：表現(xiàn)為復(fù)合材料的單涂層和單層吸收體。 多層結(jié)構(gòu)：由透波層、阻抗匹配層、吸收層以及反射背襯等組成。設(shè)計中經(jīng)常要用到入射波與反射波相互抵消技術(shù)，此時雖然會出現(xiàn)相應(yīng)的吸收峰但其吸收帶寬受到影響。 從理論上來講

7、EMC技術(shù)對電磁波吸收材料的基本要求有兩點： (1)無反射(即完全吸收)； (2)吸收頻帶盡可能的寬。,化學(xué)鍍 化學(xué)鍍的程序不應(yīng)與常規(guī)的電鍍混淆，電鍍需要用直流電流使金屬鍍覆。化學(xué)鍍或自動催化鍍是化學(xué)鍍覆均勻的固態(tài)金屬涂層，它將減小零件表面的微電池反應(yīng)。,火焰噴涂 金屬電弧噴涂，通常用來鍍鋅，它比導(dǎo)電漆和箔屏蔽更有效。 金屬電弧噴涂工藝為：在兩條金屬導(dǎo)線之間產(chǎn)生電弧，將金屬汽化，利用空氣吹在塑料基體上。當(dāng)熔融金屬的粒子撞擊塑料表面時，這些粒子因溫度較高而將塑料表面的塑料融化，金屬離子流也被塑料表面展平并被嵌入，冷卻后，形成連續(xù)的金屬薄膜。,膠箔和膠帶 在機殼的實際應(yīng)用時，有時需要改變機殼的等效

8、形 狀，此時可采用背膠金屬箔來實現(xiàn)屏蔽。背膠金屬 箔主要用于塑料的表面。然而，此項技術(shù)存在兩個 固有的問題： (1)生產(chǎn)時，必須手工在基體易損的表面上安放箔 片； (2)由于兩基體連接時，兩基體的材質(zhì)和過度區(qū)的形 狀很少能夠完全吻合，特別是在覆蓋復(fù)雜的圓角 時，這一問題尤其突出。,填料、粘合劑和導(dǎo)電潤滑脂 影響選擇填充物材料的3個因素是：成本；要求 導(dǎo)電填充物所占百分?jǐn)?shù)：高百分?jǐn)?shù)填充物不僅增加 設(shè)備的磨損，還影響模壓件的表面光潔度和物理性 能；纖維將按照處理時的熔液流動方向排列，而 使角形和截面變化區(qū)域的屏蔽不均勻性增加，同時 還會不定期地引起機械強度的損失。不同材料被用 作塑料中的導(dǎo)電填充物

9、，包括鋁粉和纖維、石墨、 不銹鋼、鎳粉和涂銀玻璃珠。,導(dǎo)電粘合劑與填料相比，填料僅需具有合適的性，能密封空隙即可，而粘合劑除了導(dǎo)電性外，還要有足夠的機械接合強度，它們用于連接、密封或焊接兩個導(dǎo)電表面。導(dǎo)電粘合劑的溶劑有環(huán)氧樹脂和硅樹脂兩種，其導(dǎo)電成分主要是銀。 導(dǎo)電潤滑脂的功能之一就是能在涂有潤滑劑的配件之間提供很小的接觸電阻，如開關(guān)。 導(dǎo)電漆 迄今為止，性能較好的導(dǎo)電漆都是基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯樹脂或環(huán)氧樹脂等襯底的。,(1)銀漆 銀漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用 于木質(zhì)表面上，它有良好的抗磨損特性和可焊接性。 (2)鎳漆 鎳通常與聚丙烯組成鎳漆，理想情況下以ABS、聚 苯乙烯

10、、聚碳酸酯為襯底。 (3)銅漆 在近20年的時間內(nèi)，專家們?yōu)殚_發(fā)出有效的銅填充 導(dǎo)電涂層進(jìn)行了各種試驗。由于銅填充物的易腐蝕 性，銅漆沒能得到廣泛使用。要克服這個問題，只 能在銅膜表面加上一層不同導(dǎo)電材料的保護(hù)層，但 使用的結(jié)果是，在一種工作條件下銅漆的性能比較 穩(wěn)定，而在另一種工作條件下，銅漆將更容易失效。,(4)底漆 導(dǎo)電漆的性質(zhì)一般都與基底材料不相容，特別是在 膠質(zhì)物質(zhì)中更是如此，所以要用專門的底漆。 導(dǎo)電玻璃 導(dǎo)電薄膜技術(shù)還廣泛應(yīng)用于在光學(xué)玻璃、有機玻璃 基片上噴涂導(dǎo)電屏蔽層，這種既透光又能導(dǎo)電的玻 璃稱為導(dǎo)電玻璃，常用它來制作各種觀察窗口的屏 蔽材料，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣。,2.

11、編織類電磁屏蔽材料 編織類屏蔽材料是目前應(yīng)用最廣泛的屏蔽材料，特別是在電纜的屏蔽方面，編織類屏蔽材料表現(xiàn)出比其他屏蔽材料更優(yōu)越的性能。,EMI屏蔽網(wǎng) 構(gòu)成織物的基材可以是各種可鍍或可涂覆的非導(dǎo)電 材料，甚至是導(dǎo)電材料。紡織的方法也有多種形式。 兩種主要的紡織方式：一種是單線紡織，另一種是 多線紡織。 導(dǎo)電壁紙 導(dǎo)電纖維編織的壁紙，可以提供某種程度的電磁干 擾屏蔽，其效果接近昂貴和笨重的金屬屏蔽技術(shù)。,編織絲網(wǎng)襯墊 編織絲網(wǎng)襯墊為在接縫處恢復(fù)屏蔽體完整性以及其他殼體的連續(xù)性，提供了簡便的方法。機殼、機柜或機箱材料，無論是塑料噴涂導(dǎo)電漆的，還是用全金屬的，都有密封要求。在接頭和縫隙處，導(dǎo)電襯墊是補

12、救屏蔽裙帶性被破壞的方法之一。,硅橡膠襯墊 在硅橡膠中摻入均勻分布的金屬顆粒，形成導(dǎo)電的 彈性化合物，既可屏蔽RFI，又可氣密。硅橡膠襯墊 之所以具備上述性能，是由于材料中金屬顆粒和彈 性體的聯(lián)合作用的結(jié)果。硅橡膠系統(tǒng)通常用于模壓 成形、薄片沖壓成形、印制板屏蔽襯墊和模制零件 等，硅橡膠襯墊現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。,3. 截止波導(dǎo)與蜂窩板 波導(dǎo)是簡單的管狀金屬結(jié)構(gòu)，它在電氣上呈現(xiàn)高通 濾波器的特性。波導(dǎo)允許截止頻率以上的信號通 過，而低于截止頻率的信號則被阻止或衰減，這與 高通濾波器的頻率特性相似。 在屏蔽設(shè)計中使用最多的截止波導(dǎo)要數(shù)蜂窩板了。 蜂窩板的原理是將大量的截止波導(dǎo)焊接在一起，構(gòu) 成截止波

13、導(dǎo)陣列，這樣可以形成很大的開口面積，,同時能夠防止電磁波泄漏。由于這里的截止波導(dǎo)截 面是六角形的，形成陣列后很像蜂巢，因此稱為蜂 窩板，見下圖所示。 使用蜂窩板材料時需要注意的問題同樣是蜂窩板周 邊與屏蔽基體的搭接問題。,4. 磁屏蔽材料 對許多人而言，低頻磁場干擾是一種最難對付的干擾，這種干擾是由直流電流或交流電流產(chǎn)生的。 低頻磁場往往隨距離的增大衰減很快，因此在很多場合，將磁敏感器件遠(yuǎn)離磁場源是一個減小磁場干擾的十分有效的措施。但當(dāng)由于空間限制無法采取這個措施時，屏蔽是一個十分有效的措施。,當(dāng)需要屏蔽的磁場很強時，僅用單層屏蔽材料，不 是達(dá)不到屏蔽要求，就是會發(fā)生飽和。這時，一種 方法是增

14、加材料的厚度。但更有效的方法是使用組 合屏蔽，將一個屏蔽體放在另一個屏蔽體內(nèi)，它們 之間留有氣隙。氣隙內(nèi)可以填充任何非磁導(dǎo)率材料 做支撐，如鋁。組合屏蔽的屏蔽效能比單個屏蔽體 高得多，因此組合屏蔽能夠?qū)⒋艌鏊p到很低的程 度。,5.6 屏蔽完整性 在屏蔽的設(shè)計中需要考慮以下的一些因素：蓋板、 通風(fēng)孔、測量儀表的指示窗、顯示窗、電位器軸、 指示燈、保險絲、開關(guān)、門、各種線、電源線和信 號線連接器。 蓋板 為了儀器的維護(hù)、測試或校準(zhǔn)，需要一次一次地打 開儀器帶孔的蓋板。對于金屬蓋板來說，最常采用 的方法是使用導(dǎo)電填料或硅樹脂填料。 通風(fēng)孔 通風(fēng)孔的處理一般采用兩種方法，一種是采用屏蔽 蓋板；另一種

15、是采用蜂窩狀蓋板。,縫隙 屏蔽體上的接縫處由于結(jié)合表面不平、清洗不干凈、 有油污或焊接質(zhì)量不好、緊固螺釘之間、鉚釘之間 存在空隙等原因會在接縫處造成縫隙。 當(dāng)金屬屏蔽體縫隙的縫長大約等于三倍金屬板的集 膚深度時，縫隙的吸收損耗和金屬板的吸收損耗相 等，縫隙基本上不降低屏蔽效能。若縫長大于三倍 金屬板的集膚深度時，則縫隙屏蔽效能就會減小， 因此我們可以采用以下幾種方法來提高屏蔽效能。 (1)增加縫隙深度 (2)提高接合面加工精度,(3)加裝導(dǎo)電襯墊 (4)在接縫處涂導(dǎo)電涂料 (5)增加接縫處的重疊尺寸 指示燈、表盤的處理 指示燈、保險管、開關(guān)及表盤等設(shè)備必備器件一般 安裝在外殼上，而這些外殼往往是主要的屏蔽體， 很顯然，這些屏蔽性能很差的器件將顯著降低屏蔽 體的屏蔽效能。為了最大限度地減少這些器件的影 響，我們必須采取一些補救措施。常用的措施有以 下幾條：,采用金屬網(wǎng)與電磁密封襯墊相互配合的方法，如下 圖所示。,采用濾波器加隔離艙的屏蔽方法，如下圖所示。,采用截止波導(dǎo)，如下圖所示。,穿過屏蔽體的導(dǎo)線 穿過屏蔽體的導(dǎo)線既可以將屏蔽體外部的干擾信號 傳導(dǎo)至屏蔽體內(nèi)部，造成