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EMC与电子设备设计的屏蔽技术

时间：2009-08-11 10:10:48

关键字： EMC 电子设备 BSP 电磁干扰

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[导读]一直以来，电磁兼容(EMC)问题都是困扰业界的一个难点。文章将详细介绍EMC的概念、设计目的以及电磁干扰(EMI)的来源与屏蔽措施问题。并根据在产品设计上积累的一些经验，介绍进行EMC屏蔽设计的基本原则和方法。

0 引言
电子技术的飞速发展给人们的生活和工作带来了巨大的帮助，与此同时，电子设备在各种场合的广泛应用，尤其是多种设备的相互配合使用，使电子设备不可避免地处在电磁环境之中，导致了电子设备之间的电磁干扰(EMI)。因此，电子设备在电磁环境中的适应能力和电子设备的电磁兼容(EMC)问题是我们在进行电子设备的设计和使用时必须考虑的问题。

1 认识EMC
1．1 EMC的定义
EMC是指“设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其它设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。由此可见，EMC是研究在有限的空间、时间和频谱资源的功能条件下，各种电气设备可以共同工作，并不发生降级的一门科学。
1．2 EMC设计的目的
显然，EMC设计的目的就是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中能够实现电磁兼容。换而言之，就是说设计的电子设备或系统必须能够满足EMC标准规定的两方面的能力：1)能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障；2)对该电磁环境不是一个污染源。

2 电磁干扰(EMI)的来源
    电子设备电磁兼容问题的核心是控制和消除电磁干扰。因此，对于电子设备产生电磁干扰的原因必须清楚。
2．1 电子设备的自身干扰
    电子设备的自身干扰是指电子设备内部各器件之间的相互干扰，主要有以下几种：
    1)通过电源地线、传输导线的阻抗、导线之间的互感产生的电磁干扰；
    2)大功率和高电压的器件产生的磁场、电场对其它器件造成的干扰；
    3)由线路的分布电容和绝缘电阻产生的干扰。
2．2 电子设备的外界干扰
    电子设备的外界干扰是指电子设备以外的干扰信号对电子设备的干扰，主要有以下几种：
    1)外部的大功率设备在空间产生很强的磁场，通过互感藕合干扰电子设备；
    2)空间电磁信号对电子设备产生的干扰；
    3)工业电网上的用电器通过电源变压器产生的干扰；
    4)外部的高电压由于绝缘体漏电产生的干扰信号。

3 电磁干扰(EMI)的屏蔽措施
    电子技术的广泛应用产生了多种形式的电磁干扰，完全彻底地消除干扰是不可能的，但是根据电磁兼容性原理，可以采用许多技术措施来减小电磁干扰，使之控制在一定的范围之内，保证电子设备或系统的兼容性。屏蔽技术即为常用的抑制和消除电磁干扰的措施。
    屏蔽就是以金属隔离的原理来控制某一区域的电场或磁场对另一区域的干扰。它包括两个含义：一是将电路、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止电磁干扰向外扩散；二是用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁干扰的影响。屏蔽按照机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽三种不同方式。
3．1 电场屏蔽
    电子设备中的电场通常是交变电场，因此可以将两个系统间的电场感应认为是两个系统之间分布电容Cj的耦合，如图1所示。

其中，Ug为干扰源交变电压，Us为接受器的感应电压，Cj为G、S间的分布电容，Zs为接受器的接地电阻。则可得

由此可知，干扰电压Us的大小与耦合电容Cj的大小有关：Cj越大，则Us越大。因此，为了减小干扰电压Us，应设法减小耦合电容Cj，设法将干扰源G和接受器S尽可能的远离。如果条件所限不能远离，则应在二者之间采取屏蔽措施。
如图2，在干扰源G和接受器S之间加入屏蔽体P，若屏蔽体P的接地电阻为ZP，则可得屏蔽体的感应电压为

则接受器上的感应电压为

由此可知，要使接受器的感应电压Us减小，Zp应尽可能的小。所以，屏蔽体必须选择导电性能良好的材料，而且须有良好的接地。否则，因为Cl>Cj，C2>Cj，若屏蔽体的接地电阻较大，将使屏蔽体加入后造成的干扰反而变得更大。

3．2 磁场屏蔽
磁场屏蔽是指对低频磁场和高频磁场的屏蔽。低频磁场的屏蔽采用高导磁率的铁磁性材料。利用铁磁性材料的高导磁率对干扰磁场进行分路，使通过空气的磁通大为减少，从而降低对被干扰源的影响，起到磁场屏蔽的作用。由于是磁分路，所以屏蔽材料的磁导率U越高，屏蔽罩越厚，磁分路流过的磁通越多，屏蔽效果越好。高频磁场的屏蔽采用低电阻率的良导体作为屏蔽材料。外界高频磁场在屏蔽体中产生涡流，涡流形成的磁场抑制和抵消外界磁场，从而起到了屏蔽的作用。与低频磁屏蔽不同，由于高频涡流的趋肤效应，屏蔽体的尺寸并不是屏蔽效果的关键所在，而且屏蔽体接地与否和屏蔽效果也没有关系。但对于高频磁屏蔽的金属良导体而言，若有良好的接地，则同时具备了电场屏蔽和磁场屏蔽的效果。所以，通常高频磁屏蔽的屏蔽体也应接地。
3．3 电磁场屏蔽
电磁场屏蔽是利用屏蔽体对电场和磁场同时加以屏蔽，一般用来对高频电磁场进行屏蔽。由前述可知，对于频率较高的干扰电压，选择良导体制作屏蔽体，且有良好的接地，则可起到对电场和磁场同时进行屏蔽的效果。但是必须注意，对高频磁场屏蔽的涡流不仅对外来干扰产生抵制作用，同时还可能对被屏蔽体保护的设备内部带来不利的影响，从而产生新的干扰。

4 结束语
电磁兼容(EMC)涉及到电工技术、电子技术和材料技术的相关知识，并且电磁兼容涉及的领域还在不断扩大，对这个问题的解决还没有统一的方法。但是，只要掌握电磁兼容的基本原理，对具体问题进行具体分析，就能够设计出较好的解决办法。