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蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作,因此就会有缝隙需要接合,另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。
设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙,而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔,从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免,但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。
任一频率电磁波的波长为: 波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)
当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重,因为它的波长越短。当涉及到最高频率时,必须要考虑可能会出现的任何谐波,不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。
一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度,就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减,因此当存在小于150mm的缝隙时,1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲,若需要衰减20dB,则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10),需要衰减26dB时,缝隙应小于7.5 mm(15mm的1/2以上),需要衰减32dB时,缝隙应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内,从而实现这种衰减效果。 定在规定尺寸内,从而实现这种衰减效果。
4、屏蔽设计难点
由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降,因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比,例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性;另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物,如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础。
多孔薄型屏蔽层:多孔的例子很多,比如薄金属片上的通风孔等等,当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式
SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 其中 fc/o:截止频率 n:孔洞数目
注意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况,也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。
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接缝和接点:电焊、铜焊或锡焊是薄片之间进行永久性固定的常用方式,接合部位金属表面必须清理干净,以使接合处能完全用导电的金属填满。不建议用螺钉或铆钉进行固定,因为紧固件之间接合处的低阻接触状态不容易长久保持。
导电衬垫的作用是减少接缝或接合处的槽、孔或缝隙,使RF辐射不会散发出去。EMI衬垫是一种导电介质,用于填补屏蔽罩内的空隙并提供连续低阻抗接点。通常EMI衬垫可在两个导体之间提供一种灵活的连接,使一个导体上的电流传至另一导体。
封孔EMI衬垫的选用可参照以下性能参数: ·特定频率范围的屏蔽效率 ·安装方法和密封强度 ·与外罩电流兼容性以及对外部环境的抗腐蚀能力。 ·工作温度范围 ·成本
大多数商用衬垫都具有足够的屏蔽性能以使设备满足EMC标准,关键是在屏蔽罩内正确地对垫片进行设计。 垫片系统:一个需要考虑的重要因素是压缩,压缩能在衬垫和垫片之间产生较高导电率。衬垫和垫片之间导电性太差会降低屏蔽效率,另外接合处如果少了一块则会出现细缝而形成槽状天线,其辐射波长比缝隙长度小约4倍。
确保导通性首先要保证垫片表面平滑、干净并经过必要处理以具有良好导电性,这些表面在接合之前必须先遮住;另外屏蔽衬垫材料对这种垫片具有持续良好的粘合性也非常重要。导电衬垫的可压缩特性可以弥补垫片的任何不规则情况。
所有衬垫都有一个有效工作最小接触电阻,设计人员可以加大对衬垫的压缩力度以降低多个衬垫的接触电阻,当然这将增加密封强度,会使屏蔽罩变得更为弯曲。大多数衬垫在压缩到原来厚度的30%至70%时效果比较好。因此在建议的最小接触面范围内,两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有良好的导电性。
另一方面,对衬垫的压力不应大到使衬垫处于非正常压缩状态,因为此时会导致衬垫接触失效,并可能产生电磁泄漏。与垫片分离的要求对于将衬垫压缩控制在制造商建议范围非常重要,这种设计需要确保垫片具有足够的硬度,以免在垫片紧固件之间产生较大弯曲。在某些情况下,可能需要另外一些紧固件以防止外壳结构弯曲。
压缩性也是转动接合处的一个重要特性,如在门或插板等位置。若衬垫易于压缩,那么屏蔽性能会随着门的每次转动而下降,此时衬垫需要更高的压缩力才能达到与新衬垫相同的屏蔽性能。在大多数情况下这不太可能做得到,因此需要一个长期EMI解决方案。
如果屏蔽罩或垫片由涂有导电层的塑料制成,则添加一个EMI衬垫不会产生太多问题,但是设计人员必须考虑很多衬垫在导电表面上都会有磨损,通常金属衬垫的镀层表面更易磨损。随着时间增长这种磨损会降低衬垫接合处的屏蔽效率,并给后面的制造商带来麻烦。
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如果屏蔽罩或垫片结构是金属的,那么在喷涂抛光材料之前可加一个衬垫把垫片表面包住,只需用导电膜和卷带即可。若在接合垫片的两边都使用卷带,则可用机械固件对EMI衬垫进行紧固,例如带有塑料铆钉或压敏粘结剂(PSA)的“C型”衬垫。衬垫安装在垫片的一边,以完成对EMI的屏蔽。 5、衬垫及附件
目前可用的屏蔽和衬垫产品非常多,包括铍-铜接头、金属网线(带弹性内芯或不带)、嵌入橡胶中的金属网和定向线、导电橡胶以及具有金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫等。大多数屏蔽材料制造商都可提供各种衬垫能达到的SE估计值,但要记住SE是个相对数值,还取决于孔隙、衬垫尺寸、衬垫压缩比以及材料成分等。衬垫有多种形状,可用于各种特定应用,包括有磨损、滑动以及带铰链的场合。目前许多衬垫带有粘胶或在衬垫上面就有固定装置,如挤压插入、管脚插入或倒钩装置等。
各类衬垫中,涂层泡沫衬垫是最新也是市面上用途最广的产品之一。这类衬垫可做成多种形状,厚度大于0.5mm,也可减少厚度以满足UL燃烧及环境密封标准。还有另一种新型衬垫即环境/EMI混合衬垫,有了它就可以无需再使用单独的密封材料,从而降低屏蔽罩成本和复杂程度。这些衬垫的外部覆层对紫外线稳定,可防潮、防风、防清洗溶剂,内部涂层则进行金属化处理并具有较高导电性。最近的另外一项革新是在EMI衬垫上装了一个塑料夹,同传统压制型金属衬垫相比,它的重量较轻,装配时间短,而且成本更低,因此更具市场吸引力。 6、结论
设备一般都需要进行屏蔽,这是因为结构本身存在一些槽和缝隙。所需屏蔽可通过一些基本原则确定,但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度,如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形。表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现EMC性能的关键因素。
七、电磁兼容(EMC)设计如何融入产品研发流程
1、业界面临挑战
如何使自己的产品满足相应市场中电磁兼容(EMC)标准要求,从而快速低成本的取得相关认证,顺利的进入目标市场?这是每一个向国际化转型公司研发都会面临的问题与困惑,各个企业产品研发部门面临着巨大挑战。
根据我们对业界大多电子企业的了解,目前企业在EMC设计方面的现状是:“三个没有”――产品工程师没有掌握EMC设计方法、企业没有产品EMC设计流程、企业没有具体明确EMC责任人。主要表现在:
由于国内研发工程师大多没有接受系统的全面的EMC培训经历,更没有电磁兼容产品的相关设计经验!遇
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到产品EMC设计问题不知如何解决?所以我们经常看到有相当一部分产品工程师整天在整改产品,但往往不得其法,没有思路!
企业内部没有一套针对EMC设计流程,EMC性能设计的好坏完全取决于个别产品开发人员的素质和经验,使得公司开发出来的产品电磁兼容性能没有一致性的保证,通常都会在某个环节出现问题,导致产品多数在后期不能顺利的通过测试与认证,影响了产品的上市进度。根据我们初步调查,全国90%以上的电子企业没有一套EMC设计、验证流程。
企业没有一套对EMC性能负责的责任体系,没有专职的EMC设计工程师。因为EMC涉及整个产品的各个环节,整个公司没有明确的责任人,也就没有足够的关注,同时也不能协调整个产品各部分相关共同对产品最终EMC性能负责!目前业界具有EMC设计的工程师很少,而企业里面有专职进行EMC设计岗位的就更少!
2、业界面临问题
一个产品的设计主要经历总体规格方案设计、详细设计、原理图设计、PCB设计、产品结构试装、摸底预测试、认证几个阶段。目前业界很多公司都是在前期设计阶段没有考虑EMC方面问题,往往是在在产品样机出来再进行EMC摸底测试,如果这时测试通过,则是比较幸运的。但很不幸的是,大多数情况下是不能测试通过的,这时出了问题进行整改并需要对产品重新设计,常常会要进行较大改动。
这个阶段产品电磁兼容出现问题原因比较多,如果是因为屏蔽问题往往会涉及结构模具改动,如果因为接口滤波问题就会对产品原理图进行改动,同时导致PCB的重新设计,还有可能会因为系统接地问题,那就会对整个产品系统重新做调整,重新设计。深圳有一家著名的仪器企业某款产品由于电磁兼容问题整改导致产品延迟海外上市一年,同时研发费用增加五十万元人民币!
这种通过研发后期测试发现问题然后再对产品进行的测试修补法业界比较常见,但往往会导致企业产品不能及时取得认证而上市,因此也是目前很多走向国际市场公司研发部门所面临的困惑。出现这种现状的根本原因是:没有把EMC问题在产品设计前期解决!
3、系统流程法(System Flow Method)
产品工程师可以通过短期的培训以及通过积累经验基本掌握EMC设计的方法,但对于一个企业来讲,目前迫切的是建立一套规范的EMC设计流程,把电磁兼容要求融入产品设计中去,这样才能保证企业大多产品经过这样的流程顺利通过测试认证。如果能从设计流程的早期阶段就导入正确EMC设计策略,同时研发工程师掌握正确的EMC设计方法,从产品设计源头解决EMC问题,将可以减少许多不必要的人力及研发成本,缩短产品上市周期。
业界很多专家对于产品EMC设计主要从技术点来讲,如屏蔽、滤波、接地、PCB设计等层面,但对于一个企业来讲,这些都是一些技术知识点,理论描述,关键是如何在我们企业的研发流程中如何实施,同时如何把电磁兼容知识与我们产品设计结合,形成针对企业产品可操做的规范与CHECKLIST(检查控制表)?那
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么如何把EMC设计融入研发设计流程,我们根据国内外著名公司的EMC设计流程整理总结出一套先进的流程,我们称之为:系统流程法(System Flow Method)系统流程法,即主要在研发流程中融入EMC设计理念,在产品设计的各个阶段进行EMC设计控制,把可能出现的EMC问题在研发前期进行考虑;设计过程中主要从产品的电路(原理图、PCB设计),结构与电缆,电源模块,接地等方面系统考虑EMC问题,针对可能出现EMC问题进行前期充分考虑,从而确保产品样品出来后能够一次性通过测试与认证!
4、系统流程法简介
系统流程法就是在产品设计的研发阶段,从流程上进行设计控制,确保EMC的设计理念,设计手段在各个阶段得以相应的实施,另外EMC设计从产品的系统角度进行考虑,而不是单纯的某个局部,只有这样才能保证产品最终的EMC性能。
每个公司应该建立一套EMC设计控制流程,同时支撑这个流程的需要相应的EMC设计规范以及EMC设计查检表,确保产品在研发过程各个阶段,都能进行EMC设计控制。
系统流程法具体各个阶段工作内容如下:
产品总体方案设计
在总体方案设计阶段要求对产品的总体规格进行EMC设计考虑,主要涉及产品销售的目标市场,以及需要满足的标准法规要求,同时注意后续潜在目标市场的EMC标准和法规的要求。基于以上对产品的EMC标准法规的要求提出产品的总体EMC设计框图,并详细制定产品EMC设计总体方案,如系统的屏蔽如何设计,系统整个电源拓扑基础上滤波如何设计,产品的接地如何系统考虑等。
如果一款复杂数据通信产品,产品定位了欧洲与日本市场,这样就明确产品进入上述市场就必须通过CE与VCCI认证,就要考虑系统整体的结构屏蔽、电源以及信号接口滤波方案,整个系统的接地三个方面,从产品总体方案考虑来达到上述目标市场认证要求。
这个阶段产品研发人员提出EMC总体方案,品质或专门的EMC工程师依据检查列表进行把关检查。
产品详细方案设计
在产品详细方案设计阶段主要提出对产品总体硬件EMC设计方案,如:电源接口,信号接口,电缆选型,接口结构设计,连接器选型等提出详细的EMC设计与选型要求.确保后续实施过程中能够重点关注注意这些要点。
如果我们设计一款医疗器械产品,就需要注意内部数字电路模块与模拟电路模块的隔离,需要从内部空间考虑数字电路对模拟电路的干扰,同时重点注意内部电缆接口滤波处理。
这个阶段产品硬件设计人员根据已有的规范提出EMC详细方案,品质或专门的EMC工程师依据检查列表进行把关检查。
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电子工程师必备手册(三)—EMI EMC设计秘籍
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