EMC系列讲座之一-结构与线材设计

辐射发射
机械工程师针对EMC的设计绝大多数是为了预防辐射发射超标！
与硬件工程师密切配合做好该项工作！！！
静电放电
两种不同介电常数的材料相互摩擦会产生静电（毛皮和玻璃）。 人穿胶鞋（鞋底是不导电的介质）在地毯（好的绝缘体）上行走。
静电放电
ESD的测试就是用静电枪模拟这种现象。 与机械工程师的设计有一定的关系。
缝隙的屏蔽效能
H L
SE=100－20logL－20logF＋20log(1＋2.3log(L/H)) L－缝隙的长度（mm） L<λ/2 H－缝隙的宽度（mm） F－入射电磁波的频率（MHz）
对待缝隙应按最坏情况去分析，比如两块金属板用螺钉搭接，相邻 两颗螺钉之间的缝隙对电磁泄漏的影响，此时应做最坏情况假设， 只考虑缝隙的长度，而假设缝隙的宽度比较大，对SE已没有太大的 影响。 做了最坏情况的假设后如果干扰足够低，那么就会有很好的设计裕量。
孔的反射损耗R


对于平面入射波： 矩形孔的反射损耗 R≈20log |λ/8W| W<< λ 圆形孔的反射损耗 R≈20log |λ/6.82D| D<< λ 对于平面入射波，孔的尺寸越小，反射损耗越大。
孔数目修正系数K1


当干扰源到屏蔽体的距离比孔间距大得多 时，孔数目修正系数K1为： K1＝－20log√an a－单个孔的面积 n－单位面积上的孔数 单个孔的面积越小，K1越大。 单位面积上的孔数越少，K1越大。
薄膜屏蔽材料

为了美观和方便，很多工程设计中采用塑 料机箱。
为使塑料机箱也具有屏蔽作用，通常用喷 涂、真空沉积及贴金属膜技术，在机箱上 包一层导电薄膜，称为薄膜屏蔽。 薄膜层很薄，吸收损耗忽略不计，屏蔽效 能主要靠反射损耗决定。


电磁屏蔽材料



屏蔽用金属材料 缝隙屏蔽材料 薄膜屏蔽材料 通风孔屏蔽材料 观察窗屏蔽材料
屏蔽




波阻抗 屏蔽效能 屏蔽机理 非实心屏蔽体 电磁屏蔽材料 屏蔽结构设计
非实心屏蔽体


上述无孔洞的理想屏蔽体是不存在的。 电缆进出、通风散热……，总是要在机箱上打 孔。 构成箱体时总存在金属面间的接缝。
电磁能量会通过这些孔或缝泄漏出去，造成屏 蔽效能的降低。

屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏因素中最薄弱 的环节所决定的。




铝板和钢板均可以，对F>>1MHz，厚度超 过0.5mm即可提供足够的吸收损耗。 铝屏蔽要考虑氧化的影响。 选择材料要重点考虑机械强度等因素。
金属接触面不要喷涂影响接触阻抗的材料 （如军用橄榄绿涂层或电镀处理过的铝）。
电磁屏蔽材料



屏蔽用金属材料 缝隙屏蔽材料 薄膜屏蔽材料 通风孔屏蔽材料 观察窗屏蔽材料

带孔金属板的屏蔽效能： SE＝A+R+B+K1+K2+K3 A－孔的吸收损耗 R－孔的反射损耗 B－多次反射损耗 K1－孔数目修正系数 K2－低频穿透修正系数 K3－孔间耦合修正系数
孔的吸收损耗A


在入射波频率低于波导截至频率时，电磁波通过孔时所产 生的损耗为： 矩形孔 A=27.3L/W（dB） 圆形孔 A=32L/D（dB） L－金属板厚度 W－矩形孔的最大宽度 D－圆形孔的直径 金属屏蔽板越厚，孔的吸收损耗越大。 金属屏蔽板上的开孔尺寸越小，孔的吸收损耗越大。
缝隙的屏蔽效能
SE 30MHz 50MHz 100MHz 300MHz 500MHz 1GHz
20dB （10倍）
40dB （100倍）
30cm
20cm 2cm
30cm
13cm 1.3cm
30cm
6.6cm *
20cm
2cm *
13cm
1.3cm *
6.6cm
* *
60dB （1000倍）
一些特定SE条件下对于非垫圈结合处的最大可接受的螺钉或连接点间隙
* 所需的空隙太小不实用，必须有垫圈 目前EMC辐射发射（RE）测试的频率范围就是30MHz~1GHz
屏蔽




波阻抗 屏蔽效能 屏蔽机理 非实心屏蔽体 电磁屏蔽材料 屏蔽结构设计
电磁屏蔽材料



屏蔽用金属材料 缝隙屏蔽材料 薄膜屏蔽材料 通风孔屏蔽材料 观察窗屏蔽材料
屏蔽用金属材料
电路和器件
晶振 开关 继电器 断路器
地球范围内的
天电干扰 雷电 静电放电 核电磁脉冲
天体的
宇宙噪声 太阳射电噪声
工业设备
电动机车 电器类
数字电路
EMC简介





辐射发射（RE） 辐射抗扰（RS） 传导发射（CE） 传导抗扰（CS） 静电放电（ESD） 电快速脉冲群（EFT） 浪涌（SURGE） 工频磁场 电压跌落、中断和电压变化 电压波动和闪烁 谐波电流
8.68dB 1.2 0.12 0.012 0.0012 0.23 0.023
20dB 2.76 0.276 0.0276 0.00276 0.52 0.052
40dB 5.52 0.552 0.0552 0.00552 1.04 0.104
100
钢
0.17
180
10k 1M 100M 100
坡莫合金
波阻抗
波 阻 抗 E/H 377
电场为主 E 1/ r3 H 1 / r2
平面波 E 1/ r H 1/ r
磁场为主 H 1/ r3
E 1/ r2
/ 2
近场区
远场区
到观测点距离 r
屏蔽




波阻抗 屏蔽效能 屏蔽机理 非实心屏蔽体 电磁屏蔽材料 屏蔽结构设计
W－六角形内壁外接圆的直径（cm）
截止波导通风板
损 耗
截止区
截止频率
fc
频率
频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损耗 很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。
截止波导通风板


低于波导截止频率的电磁波在波导中传播时的屏蔽效能为： SE=1.823×fc×L×10－9√1－(f/fc)2（dB） f－干扰信号频率 L－截止波导的长度（cm） 设计截止波导板时，首先应根据欲屏蔽的电磁波的最高频率 来确定波导截止频率fc 为使波导有足够的衰减，应满足fc >>f，一般取fc=（5~10）f 根据屏蔽效能要求计算波导的长度，一般取L≥3a， L≥3D， L ≥3W）

超声系统接地


CS01、2300系列、2105系列： 主机箱、主机架接地 2108： 主机未接地，主机外壳相当于一个等电势体，系 统内主板及其它板卡与其良好连接，实际上也是 一个接地的概念。
控制面板的接地可以有效保证通过ESD测试。
EMC设计

接地 屏蔽
屏蔽




波阻抗 屏蔽效能 屏蔽机理 非实心屏蔽体 电磁屏蔽材料 屏蔽结构设计
15.4 1.54 0.154 0.0154 19.24 1.924
30.8 3.08 0.308 0.0308 38.48 3.848
1
1
10k 1M 100M 100
铝
0.63
1
10k
1M
100M
0.0835
0.00835
0.1924
0.01924
0.3848
0.03848
吸收损耗
屏蔽材料厚度（mm） 金属 相对电导率 相对磁导率 F（Hz）
缝隙屏蔽材料

任何实际的机箱都会有缝隙。 机箱盖、门、…… 缝隙处会产生电磁泄漏。 永久性接缝采用焊接工艺，焊点之间的间 距和缝隙同样要满足设计要求。 非永久性接缝使用电磁密封垫可消除缝隙 电磁泄漏。


缝隙屏蔽材料
金属丝网屏蔽条
指形弹簧垫片
导电布
螺旋管衬垫
电磁屏蔽材料



屏蔽用金属材料 缝隙屏蔽材料 薄膜屏蔽材料 通风孔屏蔽材料 观察窗屏蔽材料
λ
频率 100MHz 300MHz
最大孔径 ≤150mm ≤ 50mm
频率 100MHz
最佳孔径 ≤ 30mm
300MHz
500MHz 1GHz
≤ 10mm
≤ 6mm ≤ 3mm
简化
最大孔径(mm) = 最佳孔径(mm) =
500MHz
1GHz
≤ 30mm
≤ 15mm
3000 F (MHz)
非实心屏蔽体
入射波
A R1 R2 B
SE ＝ R1 ＋ R2 ＋ A＋B ＝ R＋ A＋B
泄漏的电磁波
场强
入射波
吸收损耗A R1 R2
泄漏的电磁波
距离
吸收损耗
屏蔽材料厚度（mm） 金属 相对电导率 相对磁导率 F（Hz） 8.68dB 20dB 40dB
100
铜
6.7 0.67 0.067 0.0067 8.35 0.835
通风孔屏蔽材料

金属丝网 穿孔金属板 截止波导通风板
金属丝网
覆盖在大面积的通风孔上 结构简单、成本低、通风好 适合于屏蔽要求不太高的场合 网丝的直径越粗、网孔越密、网丝材料的电导率越高，屏蔽性能就越好 组成网的电线在每个交叉点处都必须焊接
穿孔金属板
可直接在金属机壳的适当部位打孔 也可将打好孔的金属板装在通风孔上 可以打圆孔，也可以打方孔 孔径<λ/20，屏蔽刚刚开始起作用；孔径< λ/100，屏蔽发挥明显作用 对孔间距没有明确要求，主要是要考虑机械强度的要求和通风要求 打孔金属板的孔径越小，板越厚，屏蔽效能就越好
多次反射损耗B

当孔的吸收损耗A较大时，多次反射损耗B 可以忽略。
低频穿透修正系数K2


低频时金属的趋肤深度大，电磁场可透过 导体，从而降低屏蔽效能。 对EMC辐射发射（RE）所关心的频率， 30MHz~100MHz，K2可以忽略不计。
空间耦合修正系数K3


当屏蔽体上孔距很近时，由于相邻孔之间 的耦合作用，屏蔽体的屏蔽效能将有所增 加，增加量用K3表示。 影响较小。
EMC系列讲座之一
结构及线材设计
彩色B超组硬件研发部
结构及线材设计

EMC简介 EMC设计 结构与硬件
EMC简介
百度文库什么是EMC？
字面意思：电磁兼容性 核心内容： 对其它设备产生的影响 受其它设备影响时的表现
EMC简介
电磁噪声 设备噪声 自然噪声
系统
通信 雷达/导航设备 荧光灯 汽车点火器
浪涌
模拟雷电对设备的影响。 主要取决于电源系统的设计。
电快速脉冲群
模拟机械开关对设备的影响。 主要取决于电源系统的设计。
结构及线材设计

EMC简介 EMC设计 结构与硬件
EMC设计

接地 屏蔽
接地

理想电大地：具有零电位的土壤
“地”概念的引申：飞机壳体、轮船壳体、 等电势体 电气接地：提供低阻回路、安全、EMC
0.108
8000
10k
1M
100M
0.0023
0.00023
0.0052
0.00052
0.0104
0.00104
吸收损耗


吸收损耗：随电磁波频率、屏蔽体厚度、屏蔽体的导磁率 及导电率的增大而增大，通过屏蔽体产生热损耗。 趋肤效应：低频时金属的趋肤深度大，电磁场可穿透导体， 从而降低屏蔽效能；高频时金属的趋肤深度小，屏蔽效能 好。 对于吸收损耗，当f >>1MHz时，用0.5mm厚的任何金属板 制成的屏蔽体，都能将场强衰减到100倍（40dB）以下。 在选择材料时，应着重考虑材料的机械强度、刚度和防腐 等因素。 对于低频屏蔽，应采用磁导率大的铁磁场性材料，如冷轧 钢板、坡莫合金等。
屏蔽效能
屏蔽前的场强E1
屏蔽后的场强E2
对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽, 电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 log ( E1/ E2 ) dB
屏蔽




波阻抗 屏蔽效能 屏蔽机理 非实心屏蔽体 电磁屏蔽材料 屏蔽结构设计
屏蔽机理

主要机理： 吸收损耗 反射损耗
屏蔽机理
反射损耗

由屏蔽体表现处阻抗不连续引起。 与材料自身特性（电导率、磁导率）有关。
与干扰源的类型有关（近场电场干扰源、近场磁 场干扰源或远场平面波）。 与干扰源与屏蔽体之间的距离有关。 与干扰频率有关。 相当复杂。


多次反射损耗

屏蔽体较厚时，导体的吸收损耗比较大， 此时可以忽略多次反射的影响。
非实心屏蔽体
孔
接缝
根据不同产品或部件所需屏蔽的 频率不同，可以考虑不同的屏蔽 孔尺寸设计，如电源板或电源系 统一般考虑300MHz以下的频率， 而且电源散热要求也比较高，所 以电源系统独立的屏蔽壳的孔径 可以开大一些。
孔
λ
=
3 X 10 FREQ.
8
最大孔径 =
λ
20
最佳孔径 = 100
15000 F (MHz)
截止波导通风板
蜂窝式通风板 有深度的孔会构成波导 当电磁波频率低于波导的截至频率时，电磁波在传输时将产生很大的衰减
截止波导通风板
a
D Hz Hz Hz
W a－矩形波导宽边的尺寸（cm） D－圆波导的直径（cm）
矩形波导截止频率：fc＝（15/a）×109 圆波导截止频率：fc＝（17.6/D）×109 六角波导截止频率：fc＝（15/W）×109