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金属外壳屏蔽EMI有讲究

2020/11/20 12:06 于 SCH设计

摘要
1、屏蔽的商业必要性;
2、屏蔽的概念;
3、电路之间、屏蔽之间更大(的间距)、矩形(或不规则)的屏蔽外形更好,以避免共振;
4、趋肤效应 (很难挡住低频)
5、孔隙 (很难挡住高频)
6、低频(磁场)屏蔽
7、截至波导
8、导体垫圈(用于填缝)
9、可视组件的屏蔽(如显示皮、指示灯、键盘)
10、通风(散热)孔的屏蔽
11、用喷漆或电镀的塑料来屏蔽
12、非金属屏蔽
13、屏蔽室的安装
14、板级电磁屏蔽

1、屏蔽的商业必要性
笔者提出的一个重要概念:
一个项目在计划阶段就要考虑屏蔽问题,这样花费在屏蔽措施上的成本才会最低。
若等到问题暴露出来再去查漏补缺,往往需要付出相当大的代价。
屏蔽措施往往带来费用和仪器重量的增加,若能以其他EMC方式加以解决,就尽量减少屏蔽。(言下之意屏蔽是最后一招)
对于PCB应注意以下两点:
1、使导线及元器件尽量靠近一块大的金属板(这个金属板不是指屏蔽体)
2、使电气部件及线路尽量靠近地层(减少层间信号的电磁干扰、地层可以吸收部分干扰 )这样,即使是需要加屏蔽,也可以降低对屏蔽效能(SE shiedling effectiveness)的需求。

2、屏蔽的概念
屏蔽相当于一个滤波器,放置于电磁波的传播路径上,对其中的一部分频段形成高阻抗。阻抗比越大,屏蔽效能越好。
对于一般金属,0.5mm的厚度就能对1MHz的电磁波产生较好的屏蔽效果,对100MHz能有非常好的屏蔽效果,问题在于薄层金属屏蔽对1MHz以下或孔隙来说,屏蔽效果就不行了,本文重点介绍这方面。

3、大的间距、矩形屏蔽会更好
(1) 电路之间、屏蔽之间更大的间距能够减少相互干扰;
(2) 矩形(或不规则)的屏蔽外形,能够尽量避免频率共振;正方形的外壳往往容易引起共振;
但总的来说,电路板一般位于屏蔽体内,其元器件、线路等都会改变预期的共振频率点,所以不必太操心。

4、趋肤效应

趋肤深度
工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368(即1/e)的厚度为趋肤深度或穿透深度Δ:

式中:
μ-导线材料的磁导率;
γ=1/ρ-材料的电导率;
k-材料电导率(或电阻率)温度系数;

上图:不同频率下三种金属的趋肤效应深度(频率越高,深度越浅,越趋肤);趋肤效应以传导的角度看,是希望趋肤深度深的,那表示导线的利用率高;但是对于屏蔽,是希望趋肤深度浅的,这样就能以较薄的金属屏蔽更多的电磁频段;50Hz的趋肤深度5~15mm,很难屏蔽……
用于屏蔽的金属应有良好的导电及导磁性能,厚度根据干扰的最低频率所产生的趋肤深度来定。一般1mm的低碳钢板或者1μm的镀锌层就能满足一般的应用。(这也是实际中常看到机箱壁上镀锌的原因)
5、孔隙
如果屏蔽体的整个壳体是无缝无孔的,那么对于30MHz的电磁波来说,要达到100dB的衰减效果不是难事。问题就在于他们不是无缝无孔的:

在一个完美的屏蔽壳体上开一个洞,相当于构成一个半波共振缝隙天线,屏蔽效能SE与孔的最大尺寸d、电磁波波长λ关系如下:

那么对于之前提到的30MHz,波长10m,假设有一个USB口(孔径对角线尺寸10mm),换算下来SE为54dB,d越大,SE越小。
我们常用到的电磁波频段:

我们在常规应用中制造出的干扰及谐波频段:

孔隙、平率与屏蔽效能的大致关系:

要达到40dB的SE,通常需要用导体垫圈、弹簧夹指来进行密封,注意内部元件与屏蔽罩的间距、数据总线与开孔和缝隙之间的距离。
还要注意,当屏蔽体中有电流,且电流的前进方向上有孔缝挡路,迫使电流绕行时,将引起孔缝类似天线而发射磁场,通过孔缝变化的电压产生磁场。

6、低频磁场的屏蔽
采用高磁导率的合金材料(如非晶合金、坡莫合金),按一定规格制成屏蔽罩,可大幅度减小磁场影响。

7、截至波导

8、垫圈
采用良导体,用于填缝,能承受一定的挤压变形,抗腐蚀、经久耐用.

9、可视组件的屏蔽

10、通风孔的屏蔽
将通风孔做成两种形式:
(1)金属网格(类似蜂窝铝板)
(2) (截至)波导

11、用喷漆或电镀的塑料
因为开模塑料美观轻便,所以时常使用,对这种情况,一般在塑料杯面喷涂导电材料,因为导电层厚度不可能太厚(微米级),实际效果不怎么样。
对于二类电器(class II),还可能增加静电放电(ESD)的可能性。
二类电器:这类电器采用双重绝缘或加强绝缘,没有接地要求。

12、非金属屏蔽
如碳纤维或导电聚合物(导电塑料),但是无论如何其SE都不及金属的好。

13、屏蔽罩的安装

14、板级屏蔽

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运算放大器空闲门的处理

2005/06/30 13:22 于 SCH设计

在将运算放大器作为比较器使用,可将四运算放大器芯片中未用到的一路用作比较器。但当您有一路空闲的运算放大器,但又不需要比较器时,应该如何处理呢?

如果运算放大器过驱动,输出级将会饱和到其中的一个电源轨,而且将消耗过多的电能。在未用运算放大器的许多常见配置中,都会导致过驱动。

如果所有端都空置,则存在着一定风险,杂散静电电场会引起输入超出电源轨,这可能会导致闭锁,甚至损坏整个芯片。即使没有发生闭锁,直流电场也可能引起放大器饱和,并造成功率浪费。另外,放大器可能会放大交流电场,而且如果存在过驱动的话,它本身的电源电流将受到大幅度的调制,并在片上其它放大器中引起串扰。

一些用户把一个输入连接到正电源,另一个输入连接到负电源,这同样会使输入饱和并浪费功率,也可能超过差分输入额定值并损坏器件。即使器件没有损坏,在这些条件下,一些输入级会汲取几十毫安的电流,以致被浪费的功率甚至会更多。

而将两个输入都接地,或把它们短接到某个其它电位,也会引起输出级饱和,这是由于运算放大器的失调电压绝不会完全为零;把它们短接在一起而进行偏置,同样存在上面提到的闭锁风险。

我们应该做的是,将这个器件连接成跟随器的形式(输出接到反相输入),并将同相输入连接到电源轨之间的某个电位。对于双电源系统,地是理想的选择,但在单电源系统中连接到正或负电源,如果失调电压的极性错误,将引起饱和并导致功率浪费。由于运算放大器输入引起的负载很小,“电源轨之间的某个电位”可以是电路中任何电位合适的点。

或者您也可以将它用作缓冲放大器,把它加在系统某个并不是很需要的地方,但如果加上的话可能会稍好一些。

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