EMC电磁屏蔽材料设计者指南(1)

nullnull正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁遮罩材料設計者指南(1)資料整理﹕BECK.ZHANG03/ 22/ 2004nullEMC電磁屏蔽材料設計者指南１、ＥＭＣ設計的緊迫性   本章講解ＥＭＣ設計的緊迫性，爲本書重點介紹實際技術提供背景。首先簡單介紹ＥＭＣ符合性測試的要求，然後介紹相關的法規和標準。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的遮罩技術。 什麽是電磁相容性？   電磁相容是一台設備在所處的環境中能滿意地工作的能力，它既不對其他設備造成干擾，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ＥＭＩ。 正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南表1.1电磁干扰源和敏感器 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設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１－１所示。雖然如圖１－２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１０ＫＨz～１ＧＨz範圍內的射頻能量引起的。射頻干擾（ＲＦＩ）是電磁干擾的一種特殊形式，光、熱和Ｘ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１－１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。 图1-1电磁场 图1-2 电磁谱 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設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。傳導干擾經常會影響設備的電源，這可以通過濾波器來控制。輻射干擾能影響設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出電流。這個電流與工作電流無關，但是電路會象與工作電流一樣來接收這個電流並發生回應。換句話說，隨機的射頻信號能夠向電腦發出指令，使程式發生變化。 技術驅動力   有許多因素使ＥＭＣ成爲電子設備設計中重要的內容。   首先，日益增多的電子設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。由於設備越來越小並且便於攜帶，象汽車電話、膝上電腦等設備隨處可用，而不一定局限於辦公室那樣的受控環境。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在內的大量的電子電路，如果汽車電話與這個控制系統不相容，則會引起誤動作。 nullEMC電磁屏蔽材料設計者指南  互聯技術的發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Ｉ／Ｏ埠産生寬帶發射的問題。一般來說，高速數位電路比統的類比電路産生更多的干擾。   傳統上，電子線路裝在金屬盒內，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。   法律的變化也是驅動力支一。控制電磁發射和敏感度的強制標準的實施，迫使製造商們實施ＥＭＣ計劃。産品可靠性的法規將使可靠性成爲頭等重要的事項，因爲一旦設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。這對於醫療設備特別重要。在競爭日益激烈的工業中，可靠性已經成爲電子設備的一個重要市場特徵。自動化設備，特別是醫療設備，必須連續工作，這時設備內的ＥＭＩ遮罩技術提高了設備的可靠性。   對於資料保密的要求是遮罩市場發展的一個重要動力。已有報道揭露美國駐莫斯科使追究中的資訊已被前蘇聯竊取到，這是通過接收使館內設備産生的電磁能量來實現的。同樣的技術也被用來截獲密碼，然後攻擊銀行電腦系統。通過遮罩，設備的電磁發射能夠減小，提高系統的安全性。   現在，人們越來越開始注意各種輻射對健康的影響。過量的Ｘ射線和紫外線照射的危險已經被充分證明了。現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，因爲已經有充分的證據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null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南法規和標準   對於設備工程師，瞭解不同市場中對電子設備的ＥＭＣ法規和標準的知識是十分必要的。   現在有許多關於産品輻射和傳導發射限制的國家標準和國際標準。有些還規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備有不同的標準。表１.２給出了一些電子設備的標準。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。有些規範不僅規定了標準，還賦予當局罰沒不符合産品的權力。下面幾節簡單概述一下一些主要的管理機構的電磁相容標準。 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南表1.2与电磁干扰和兼容相关的标准 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南國際   ＣＩＳＰＲ是國際電工委員會（ＩＥＣ）的一個分委會，它成立於１９３４年，那時射頻干擾問題開始出現。這是編制防止無線電干擾標準的第一個國際化聯合組織。ＣＩＳＰＲ沒有編制法律或發佈法規的機構。它所推薦的標準，只有當個別成員國採取適當的行動時，才能成爲法律。ＣＩＳＰＲ２２中推薦的針對資訊技術設備的傳導和輻射發射要求構成了許多主要國家標準的基礎。不幸的是，有些國家在將這些推薦標準作爲國家標準時，進行了調整，這造成了不同國家的要求之間的差異。 美國   聯邦通信委員會（ＦＣＣ）是負責頻率管理和干擾控制的政府機構。ＦＣＣ有覆蓋多種設備發射限制的規範。ＦＣＣ綱要第２０７８０號，第１５部分，第Ｊ分部適用於所有的數位設備。   這些ＦＣＣ規範給出了兩個不同的發射極限值。哪一個極限值適用取決於設備在什麽環境中使用。Ａ級設備被設計成在商業或工業環境中使用。更嚴格一引進的Ｂ級適用於在家庭或居民工內使用的設備。ＦＣＣ沒有規定遮罩效能值，而規定了射頻發射值。表１.３給出了Ａ級和Ｂ級和輻射發射極限值，表１.４給出了傳導發射極限值。   所有在美國國內使用的設備必須滿足ＦＣＣ規範。雖然ＦＣＣ的大部分強制性要求在第１５部分，第１８部分也與ＥＭＣ有關。第１８部分也與ＥＭＣ有關，第１８部分中有關於用於工業、科學和醫療目的的射頻發生設備的管理條例。它規定了在一些頻率點上允許的最大幅射值和１０ＫＨz至２４５ＧＨz頻段內這類設備可以使用的頻段。 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南表1.3 FCC辐射干扰极限值 表1.4 FCC传导发射干扰极限值 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南德國   德國的關於干擾控制的法規是基於ＶＤＥ制定的標準。相關的標準ＶＤＥ０８７１覆蓋了所的産生或處理射頻能量的設備。這些極限值不僅適用於所有種類的計算和數位設備，還適用於工業、科學和醫療設備。唯一的限制是設備産生的基頻高於１０ＫＨz。   對於數位設備的要求與ＦＣＣ規定的相似，但是頻率範圍更寬，低頻拓寬到１０ＫＨz。極限值也分爲Ａ級和Ｂ級，更嚴格的Ｂ級適用於通用的用途。Ａ級限於需要特殊安裝的設備。ＶＤＥ關於輻射和傳導的極限值在表１.５和表１.6中給出。   符合ＶＤＥ０８７１是強制性的，並由德國郵電部執行。 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南表１.５ＶＤＥ辐射干扰极限值 表１.6ＶＤＥ传导发射干扰极限值 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南英國   從表１.2中可以看出，英國標準協會發佈了好幾個關於ＥＭＩ的標準。應用最多的是ＢＳ６５２７關於資料處理和電子辦公設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容與ＣＩＳＰＲ２２相同，儘管它們的標題不同。覆蓋於０.１５～３０ＭＨz頻率範圍的Ａ級要求適用於商業和工業場合的應用，更嚴格的Ｂ級極限值適用於住宅區中使用的設備。兩級都包含准峰值和平均測量的要求。兩級的極限值數值是相同的，嚴格度是通過將測量距離從３０米減小到１０米來實現的。表１.7給出了推薦的輻射場強極限值。表１.8給出傳導發射的電壓極限值。 表１.７ ６２５７辐射干扰极限值 表１.８ ＢＳ６２５７传导发射干扰极限值 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南歐洲經濟共同體   爲了在歐共體內實現單一的ＥＭＣ標準，以適應１９９２實行的單一歐洲市場，歐洲委員會推行了歐共指令８９／３３６／ＥＥＣ，它要求成員對所有的電子裝置的電磁相容性法規化。法規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、電子應用設備以及配套的電氣、電子器件。例外情況是出現在其他包含ＥＭＣ要求的指令中的裝置。目前，這種例外包括機動車點火系統和某些電度錶。另外，不是用於商業目的的業餘無線電裝置也屬於例外。這個法規不僅適用於設備的新設計，也適用於指令實施後繼續生産的已有設計。   歐洲委員會已經責成ＣＥＮＥＬＥＣ，電工標準化歐洲組織，制定歐洲標準（ＥＮ）。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。ＣＥＮＥＬＥＣ　ＥＮ可以在ＩＥＣ或ＣＩＳＰＲ標準的基礎上應用，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“技術構造文件”。   使用自認證方法時，製造商通過自己測試或按照適當的ＥＮ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施。但是，如果日後發現産品不符合，製造商將承擔法律責任。在關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。   如果沒有相關的ＥＮ，或設備製造商不準備使用它，符合性只有通過編輯技術構造文件來證明。這個文件描述的裝置，列出保證設備與指令一致的措施，並包含一個技術報告或權威部門的認證。在英國，一個權威部門是ＮＡＭＡＳ（國家測量批准服務）批准的ＥＭＣ實驗室。任何權威部門提供認證在歐共體的所有成員國內都是可行的。 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南軍用設備   爲軍用設計的電子系統必須滿足ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６１Ｄ的要求，這個標準不僅規定了最大輻射發射和傳導發射的限制，還規定了系統對輻射和傳導干擾的敏感度要求。配套標準ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６２規定了必要的測試裝置。商業公司經常將ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６１中的某些部分作爲産品內部ＥＭＣ規範。   另一個關於ＥＭＩ的軍用標準是保密的ＴＥＭＰＥＳＴ計劃，這是用來保證保密通信系統安全的。現在可以接收並複現出大多數電子設備政黨工作時所發射的功率很低的射頻信號。象對電子竊聽很脆弱的ＣＲＴ終端那樣的軍用産品就屬於ＴＥＭＰＥＳＴ的範疇。在實踐中，ＴＥＭＰＥＳＴ控制設備發射，使無法解譯攜帶資訊的信號。   由於關於ＥＭＣ的法規和標準十分複雜，關於資訊技術設備的相關標準總結在表１.９中。一些標準的頻率範圍在圖１－３中標明。 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南表1.9 信息技术设备（ITE）的电磁兼容标准 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南測試   現有的規範和標準對産品輻射的電場強度的極限值是在３m、１０m或３０m處規定的。爲了測試設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。   被測設備所處的狀態必須與實際使用狀態相同，Ｉ／Ｏ介面與適當的外設連接。被測系統要放在轉臺上，這樣可以通過旋轉來找到最大輻射信號。轉臺與天線放在同一個地面上。這樣就可以測量系統工作時的輻射了。   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１－４是開闊場的示意圖。 图1-4开阔测试 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設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。遮罩盒是最先開發的方法之一。在密封的遮罩盒內放置接收天線的裝置如圖１－５所示。這個盒子上有一個方形的開口，將它放置在遮罩室內使外界干擾最小。遮罩室內有信號發生器和發射天線。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１－６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。 图1-5 屏蔽盒测试 图1-6 屏蔽室测试 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南遮罩的理論方法   電磁波理是經典的理論。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計中廣泛應用。   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的媒介的特性都會影響場與遮罩之間的相互作用。   在電磁遮罩中，波阻抗Zw是聯繫這些參數的有用的概念。波阻抗定義爲電場E與磁場H的比值。   源上的驅動電壓決定了干擾的特性。例如，環天線中流動的電流與較低的驅動電壓對應。結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λ除以2π的距離爲分界點。λ/2π附近的區域稱爲過渡區。源與過渡區是近場，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 。 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南知道干擾輻射的近場波阻抗對於設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 图1-7 屏蔽对电磁干扰的衰减 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南遮罩效能SE等於吸收因數A加上反射因數R，加上多次返射修正因數B，所有因數都以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; μr-遮罩材料的相對導磁率； σr-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，吸收因數對所有類型的電磁波都一樣，與近場還是遠場無關。   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=168 101g(μrf/σr)dB null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南表1.10信号强度的衰减 表1.11屏蔽衰减极限值   表1.12給出了一些常用遮罩材料的相對導電率和導磁率。   如果吸收因數6dB以上，多次反射因數B可以忽略，僅當遮罩層很薄或頻率低於20KHz時，B才是重要的。   在設計磁遮罩時，特別是14KHz以下時，除了吸收損耗外，其他因素都可以忽略。同樣，在設計電場或平面波遮罩時，只考慮反射因數。   當一束電磁波碰到遮罩體時，在表面上感應出電流。遮罩的一個作用是將這些電流在最小擾動的情況下送到大地，如果在電流的路徑上有開口，電流受到擾動要繞過開口。較長的電流路徑帶來附加阻抗，因此在開口上有電壓降。這個電壓在開口上感應出電場並産生輻射。當開口的長度達到λ/4時，就變成效 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁屏蔽材料設計者指南體，能夠將整個遮罩體接收到的能量通過開口發射出去。爲了限制開口效應，一個一般的規則是，如果遮罩體的遮罩效能要達到60dB，開口長度在感興趣的最高頻率處不能超過0.01λ。每隔一定間隔接觸的複合或用指形簧片連接的縫隙可以作爲一系列開口來處理。   值得指出的是，材料本身的遮罩特性並不是十分重要的，相比之下縫隙開口等遮罩不連續性是更應該注意的因素。 表1.12用于屏蔽的金属特性 null正大光明 公正無私 幫助別人 成就自己EMC電磁遮罩材料設計者指南 總結   所有從事電氣或電子設備設計的工程師都應該認識到他們所開發的專案的電磁相容性要求。爲了用較低的成本來解決這些問題，必須在專案的初期就考慮適當的EMC措施來滿足相關的標準。雖然仔細地進行電路設計能夠有效一減小電磁發射和敏感度，但本文後面所詳細介紹的有關實際遮罩技術的資料將使你在每一個特殊專案中採取一種適當的遮罩。