【導(dǎo)讀】EMC設(shè)計(jì)是一個(gè)很繁瑣的問題，一個(gè)小細(xì)節(jié)沒有注意到就可能全軍覆沒。如果在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候考慮的越全面，就可以避免后期EMC測(cè)試不達(dá)標(biāo)時(shí)的不知所措。本期大講臺(tái)，我們主要介紹濾波器該如何選型，同時(shí)還有一個(gè)很容易被工程師忽略的部分，就是電磁屏蔽材料的選用。
電磁干擾濾波器的選用
EMC設(shè)計(jì)中的濾波器通常指由L，C構(gòu)成的低通濾波器。不同結(jié)構(gòu)的濾波器的主要區(qū)別之一，是其中的電容與電感的聯(lián)接方式不同。濾波器的有效性不僅與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)的阻抗有關(guān)。如單個(gè)電容的濾波器在高阻抗電路中效果很好，而在低阻抗電路中效果很差。
實(shí)踐表明，即使對(duì)一個(gè)經(jīng)過很好設(shè)計(jì)并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會(huì)有傳導(dǎo)干擾發(fā)射或傳導(dǎo)干擾進(jìn)入產(chǎn)品。濾波是壓縮干擾頻譜的一種有效方法，當(dāng)干擾頻譜不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，可以用電磁干擾濾波器將無用的干擾濾除。因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾是十分重要的。從頻率選擇的角度出發(fā)，電磁干擾濾波器屬于低通濾波器，分為信號(hào)線濾波器和電源線濾波器等。
1. 信號(hào)線濾波器
信號(hào)線濾波器是用在各種信號(hào)線上的低通濾波器，用來濾除高頻干擾成分?？煞譃榫€路板濾波器、饋通濾波器和連接器濾波器等三種。線路板濾波器適合于安裝在線路板上，具有成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn);饋通濾波器適合于安裝在屏蔽殼體上，特別適用于單根導(dǎo)線或電纜穿過屏蔽體時(shí)使用;濾波器連接器適用于多根導(dǎo)線或電纜穿過屏蔽體時(shí)使用。濾波器連接器在外形上和尺寸上都和普通連接器相同，兩者完全可以互換。但濾波器連接器的每個(gè)針或孔上都有一個(gè)低通濾波器，它的電路可以是單個(gè)電容的，也可以是L型或π型的。
選用信號(hào)線濾波器時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用的場(chǎng)合，選擇濾波器的類型，根據(jù)濾波要求選擇濾波器的電路和性能指標(biāo)，為了保證信號(hào)頻率順利通過濾波器，濾波器的截止頻率應(yīng)高于信號(hào)頻率的上限。此外，還應(yīng)正確選擇濾波器的工作電壓、電流、溫度范圍等。在使用信號(hào)線濾波器時(shí)，最重要的是保證濾波器有良好的接地，接地線應(yīng)盡量短。濾波器外殼應(yīng)與屏蔽體有良好的電接觸，可以使用焊接方式或采用射頻電磁密封襯墊。
新研制的濾波器陣列板是將濾波器制成微形器件，并排列成陣列，能快速安裝到電子產(chǎn)品的底板或隔斷上，以實(shí)現(xiàn)密封或隔離。
2. 電源線濾波器
電源線是電磁干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑。為防止這兩種情況的發(fā)生，必須在設(shè)備的電源接口安裝電源線濾波器。它只允許電源頻率通過，而高于電源頻率的電磁干擾卻受到很大的衰減。
電源線上的干擾以兩種形式出現(xiàn)，在火線、零線回路中的干擾為差模干擾，在火線、零線與地線回路中的干擾為共模干擾。雖然電源線濾波器對(duì)差模干擾和共模干擾都有抑制作用，但效果不一樣，應(yīng)分別給出兩者的插入損耗。除了特別說明允許不接地的濾波器外，所有電源濾波器都必須接地，因?yàn)闉V波器中的共模旁路電容只有接地時(shí)才起作用。
使用電源濾波器時(shí)，應(yīng)盡量靠近電源入口處安裝，并使濾波器的輸入/輸出端之間屏蔽隔離，避免電磁干擾從輸入端直接耦合到濾波器的輸出端。此外，濾波器的接地點(diǎn)還應(yīng)盡量靠近設(shè)備的接地點(diǎn)。電源線濾波器的技術(shù)指標(biāo)包括：最大泄漏電流、耐壓、額定工作頻率、額定工作電壓、額定工作電流和溫度范圍等。
電磁兼容性元器件是解決電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度問題的關(guān)鍵，正確選擇和使用這些元器件是做好電磁兼容性設(shè)計(jì)的前提。因此，我們必須深入掌握這些元器件，這樣才有可能設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求、性能價(jià)格比最優(yōu)的電子、電氣產(chǎn)品。
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模擬與邏輯有源器件的選用
電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度的關(guān)鍵是模擬與邏輯有源器件的選用。必須注意有源器件固有的敏感特性和電磁發(fā)射特性。
有源器件可分為調(diào)諧器件和基本頻帶器件。調(diào)諧器件起帶通元件作用，其頻率特性包括：中心頻率、帶寬、選擇性和帶外亂真響應(yīng);基本領(lǐng)帶器件起低通元件作用，其頻率特性包括：截止頻率、通帶特性、帶外抑制特性和亂真響應(yīng)。此外還有輸入阻抗特性和輸入端的平衡不平衡特性等。
模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬，而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎(chǔ)。
邏輯器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。
有源器件有兩種電磁發(fā)射源：傳導(dǎo)干擾通過電源線、接地線和互連線進(jìn)行傳輸，并隨頻率增加而增加;輻射干擾通過器件本身或通過互連線進(jìn)行輻射，并隨頻率的平方而增加。瞬態(tài)地電流是傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的初始源，減少瞬態(tài)地電流必須減小接地阻抗和使用去耦電容。
邏輯器件的翻轉(zhuǎn)時(shí)間越短，所占頻譜越寬。為此，應(yīng)當(dāng)在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，盡可能增加信號(hào)的上升/下降時(shí)間。
數(shù)字電路是一種最常見的寬帶干擾源，其電磁發(fā)射可分為差模和共模兩種形式。
為了減少發(fā)射，應(yīng)盡可能降低頻率和信號(hào)電平;為了控制差模輻射，必須將印制電路板上的信號(hào)線、電源線和它們的回線緊靠在一起，減小回路面積;為了控制共模輻射，可以使用柵網(wǎng)地線或接地平面，也可使用共模扼流圈。同時(shí)，選擇“干凈地”作為接地點(diǎn)也是十分重要的。
鐵氧體電磁干擾抑制元件
鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。對(duì)于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。磁導(dǎo)率μ可以表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分構(gòu)成電感，虛數(shù)部分代表?yè)p耗，隨著頻率的增加而增加。因此，它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。例如磁導(dǎo)率為850的鐵氧體，在10MHz時(shí)阻抗小于10Ω，而超過l00MHz后阻抗大于100Ω，使高頻干擾大大衰減。這樣，就構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器。低頻時(shí)R很小，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制;高頻時(shí)R增大，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能。
鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。例如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。
不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制頻率就越低。此外，鐵氧體體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。
鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方。對(duì)于輸入/輸出電路，則應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。
安裝時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意，鐵氧體元件易破碎，應(yīng)采取可靠的固定措施。
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電磁屏蔽材料的選用
具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性的材料可以用作屏蔽材料。常用的有鋼板、鋁板、鋁箔、銅板、銅箔等。也可以在塑料機(jī)箱上噴涂鎳漆或銅漆的方法實(shí)現(xiàn)屏蔽。
屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能除了與所選屏蔽材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率和厚度有關(guān)外，在很大程度上還依賴于機(jī)箱的結(jié)構(gòu)，即其導(dǎo)電連續(xù)性。任何實(shí)用的屏蔽機(jī)箱上都有縫隙，這些縫隙是由于屏蔽板之間臨時(shí)性搭接所造成的。由于縫隙的導(dǎo)電不連續(xù)性，在縫隙處會(huì)產(chǎn)生電磁泄漏。因此，對(duì)于永久性搭接，可以使用焊接的方法消除縫隙。如果使用鉚接或螺釘連接，間距必須足夠小。對(duì)于非永久性搭接，采用電磁密封襯墊等屏蔽材料則是十分有效的手段。
1.電磁密封襯墊
電磁密封襯墊是一中彈性好、導(dǎo)電性高的材料。將這種材料填充在縫隙處，能保持導(dǎo)電連續(xù)性，是解決縫隙電磁泄漏的好方法。在選用電磁密封襯墊時(shí)，需要熟悉以下特性參數(shù)：
轉(zhuǎn)移阻抗設(shè)襯墊和兩側(cè)屏蔽板的接合面上流過電流I，而兩側(cè)屏蔽板之間的電壓為V，則轉(zhuǎn)移阻抗定義為Zr=V/I。轉(zhuǎn)移阻抗越低，則兩側(cè)屏蔽板之間的電磁泄漏越小，加襯墊后該縫隙的屏蔽效能越高。
硬度襯墊的硬度應(yīng)當(dāng)適中，硬度太低，易造成接觸不良，屏蔽效能較低;硬度太高，需要較大的壓力，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成困難。
壓縮永久形變襯墊只有在外力作用下發(fā)生一定的形變時(shí)，才有屏蔽作用。當(dāng)外力去掉后，襯墊不會(huì)完全恢復(fù)到原來的形狀，即發(fā)生了永久形變。當(dāng)然，襯墊的壓縮永久形變?cè)叫≡胶谩?br />
襯墊厚度襯墊的厚度應(yīng)能滿足接觸面不平整度的要求，利用其彈性，將縫隙填充滿，達(dá)到導(dǎo)電連續(xù)性的目的。
常用的電磁密封襯墊有以下幾種類型：
金屬絲網(wǎng)襯墊用金屬絲編織成的彈性網(wǎng)套，為純金屬接觸，接觸電阻低;但金屬絲在高頻時(shí)會(huì)呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低。所以只適用于l吉赫以下的頻率范圍。
橡膠芯編織網(wǎng)套將金屬絲編織的網(wǎng)套套在發(fā)泡橡膠芯或硅橡膠芯上，具有很好的彈性和導(dǎo)電性。
導(dǎo)電橡膠襯墊在硅橡膠內(nèi)填充金屬顆?；蚪饘俳z，構(gòu)成導(dǎo)電的彈性物質(zhì)。由于導(dǎo)電橡膠中的導(dǎo)電顆粒之間的容抗在高頻時(shí)會(huì)降低，因此，填充金屬顆粒在高頻時(shí)屏蔽效能較高。如果填充方向一致的金屬絲，還可以做到純金屬接觸，但由于金屬絲在高頻時(shí)呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低，所以填充金屬絲時(shí)只適用于低頻。
鈹銅指形簧片利用被銅良好的導(dǎo)電性和彈性，可制成各種指形簧片。由于純金屬接觸，直流電阻低，感抗又小，所以低頻和高頻時(shí)都具有較高的屏蔽效能。
螺旋管襯墊用鍍錫被銅或不銹鋼做成的螺旋管，具有良好的彈性和導(dǎo)電性，是目前屏蔽效能最高的襯墊。
2.導(dǎo)電化合物
導(dǎo)電化合物包括各種導(dǎo)電膠和各種導(dǎo)電填充物等。環(huán)氧導(dǎo)電膠可用于金屬之間，金屬與非金屬之間，各種硬性表面之間的導(dǎo)電粘接?？纱婧稿a，完成微波器件引線連接;可修復(fù)印制板線路，可用于導(dǎo)電陶瓷粘接，天線元件粘接，玻璃除霜粘接，導(dǎo)電/導(dǎo)熱粘接，微波波導(dǎo)部件粘接等。硅脂導(dǎo)電膠用于將彈性的導(dǎo)電橡膠粘接固定在金屬表面上，可應(yīng)用于航天、航空、軍用等電子設(shè)備中。導(dǎo)電填充物是一種高導(dǎo)電漿糊狀材料，用于無法加裝屏蔽襯墊的縫隙處，固化后仍保持彈性。
3. 截止波導(dǎo)通風(fēng)板
屏蔽機(jī)箱的通風(fēng)口及其它開口都是主要的電磁輻射源。采用開小孔或加金屬絲網(wǎng)的方法都難以達(dá)到滿意的屏蔽效能。理論證明，當(dāng)金屬管截面尺寸滿足一定條件時(shí)，可以傳輸一定頻率范圍的電磁波，稱為波導(dǎo)管。而波導(dǎo)管存在一個(gè)截止頻率，當(dāng)頻率低于截止頻率時(shí)，電磁波被截止而不能傳輸。根據(jù)這個(gè)原理可以設(shè)計(jì)成截止波導(dǎo)管。截止波導(dǎo)通風(fēng)板由許多截止波導(dǎo)管依次排列組成，為了提高通風(fēng)效率，每個(gè)截止波導(dǎo)管的截面都設(shè)計(jì)為六角形，故又稱蜂窩狀通風(fēng)板。當(dāng)屏蔽效能要求很高時(shí)，可用兩塊截止波導(dǎo)通風(fēng)板構(gòu)成雙層通風(fēng)板。而通風(fēng)板材料的導(dǎo)電率是屏蔽效能的重要因素，采用高導(dǎo)電率材料或鍍層的通風(fēng)板可以得到高屏蔽效能。
4.導(dǎo)電玻璃和導(dǎo)電膜片
顯示屏或顯示窗口既要滿足視覺要求，又要滿足防電磁輻射的要求，為此，可選用導(dǎo)電玻璃實(shí)現(xiàn)屏蔽。導(dǎo)電玻璃可用兩塊光學(xué)玻璃中間夾金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，金屬絲網(wǎng)密度越大，屏蔽效能就越高，但透光性變得越差。導(dǎo)電玻璃也可由光學(xué)玻璃或有機(jī)玻璃表面鍍的金屬薄膜構(gòu)成。此外，還可在透明聚脂膜片上鍍以金屬薄膜，制成柔性透明導(dǎo)電膜片。這種膜片的透光性可達(dá)70%(80%，而且膜片很薄，僅0.13mm，可以直接貼覆在常規(guī)玻璃或有機(jī)玻璃表面，特別適用于要求高透明度和中等屏蔽效能的儀表表盤、液晶顯示器、面板指示燈孔、彩色顯示器等部位。
