電磁屏蔽知多少？

原文來自公眾號：工程師看海

不管什么電子產(chǎn)品，EMC始終是其需要面對的問題，EMC全拼是Electromagnetic Compatibility即電磁兼容性，EMC分為EMS（electromagnetic susceptibility）電磁抗擾度和EMI（ Electromagnetic interference）電磁干擾兩部分，一個是評估產(chǎn)品自身穩(wěn)定性的，另一個是評估產(chǎn)品對外噪聲水平的，都是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，本文以手機為例，介紹EMC、靜電浪涌的基本原理以及常見解決措施，有助于指導(dǎo)工程師PCB layout以及解決實際EMC問題。

萬事萬物皆有干擾，有干擾才有抗干擾，解決EMC問題就有3大方向，圍繞這三大方向，可以幻化出非常多的解決措施，太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦千變?nèi)f化。這3大方向分別是干擾源、干擾傳播路徑、干擾受體。

世界上沒有無緣無故的愛，也沒有無緣無故的恨，咱們就先從干擾源談起。

而按照干擾傳播路徑，有空間和傳導(dǎo)兩種干擾，不同的路徑有不同的干擾源。

咱們就先說空間干擾，下圖是空間干擾三個分類的示意圖，即靜電耦合、電磁耦合和無線電波的電磁耦合，干擾源產(chǎn)生的噪聲通過這3種空間路徑影響到接收電路，進而引起系統(tǒng)異常。

1. 靜電耦合

靜電耦合對電場敏感，一般電壓大電流小，其簡化模型如下：干擾方和受害方之間通過電容耦合，干擾方產(chǎn)生的電場會通過電容（pF級別）作用于受害方，進而在受害方產(chǎn)生噪聲，這就是靜電干擾。

如果受害方阻抗大，那么產(chǎn)生的干擾也會變大，這就是高阻抗電路更容易接收噪聲的原因之一。

那么緩解靜電耦合引起的干擾手段有哪些呢？

增加間距。

通過減小耦合電容，來降低干擾。

縮短耦合長度。

減小兩條走線平行部分的長度，相當(dāng)于減少了并聯(lián)的電容，進而降低耦合電容引起的干擾。

靜電屏蔽。

金屬接地屏蔽，阻斷干擾方和受害方，如下圖。

降低干擾源電壓。

在干擾源源端濾波。

2. 磁場耦合

有愛必有恨，有電容就有電感，二者是對偶器件，電磁耦合就是基于感性的耦合，電壓小電流大，當(dāng)導(dǎo)線流過電流時，會產(chǎn)生磁場，磁場會通過互感作用于受害線路，進而產(chǎn)生干擾，這就是磁場耦合。

那么緩解電磁耦合引起的干擾手段有哪些呢？

增加間距。

通過減小互感系數(shù)，來降低干擾。

縮短耦合長度，垂直交叉走線。

減小兩條走線平行部分的長度，相當(dāng)于減少了互感。

電磁屏蔽。

通過金屬板渦流阻斷磁場，可以不接地，如果金屬板用于回流，則接地。

降低干擾源電流。

在干擾源源端濾波。

3. 電磁耦合與天線

靜電耦合和磁場耦合對距離很敏感，屬于近距離干擾，增加距離可以大幅降低干擾，但是無線電波的干擾，屬于遠距離干擾，對距離并不是很敏感。

天線可以產(chǎn)生無線電波，天線可以分為偶極子天線和環(huán)形天線兩種，如下圖所示，這些天線既可以發(fā)射信號，又可以接收信號（拾取噪聲），因此，作為發(fā)射天線時，我們要盡量避免天線產(chǎn)生干擾；對于受害器件而言盡量避免內(nèi)部設(shè)計產(chǎn)生無用的天線，導(dǎo)致拾取到無線電波干擾。

偶極子天線對電壓敏感，環(huán)形天線對電流敏感。

4. 偶極子天線

對于偶極子而言，長度為1/2波長時更容易發(fā)生無線電波，比如對于750MHz信號而言，被發(fā)射到空中后的速度為光速3*10^8 m/s，波長就是400mm，波長的一半就是200mm，所以如果天線長度小于200mm就有助于減小干擾；

λ=C/f，λ:波長；C:速度；f:頻率

在天線前面加入LC濾波器，既可以抑制高頻諧波降低EMI，又可以做阻抗匹配實現(xiàn)最佳發(fā)射功率。

我們在走線時也要避免出現(xiàn)單獨線頭，這種線頭可能成為發(fā)射或接收天線。

5. 環(huán)形天線

很多基于法拉第電磁感應(yīng)定律的磁場檢測設(shè)備，就是使用探查線圈來拾取磁場。環(huán)形天線既可以發(fā)射電波又可以接收電波，降低發(fā)射環(huán)形天線的面積，是降低干擾的有效方法之一。我們PCB layout時也要縮短走線長度，避免形成發(fā)射或接收的環(huán)形天線。

5. 近場與遠場

近場與遠場是一對非常重要的概念，對于指導(dǎo)我們優(yōu)化EMC有重要作用。

近場與遠場的分界線是d=λ/2π，λ是波長，當(dāng)天線距離小于d時是近場，大于d時是遠場。

圖來自村田官網(wǎng)

偶極子近場范圍內(nèi)電場更強，電場隨距離衰減更快。

環(huán)形天線近場范圍內(nèi)磁場更強，磁場隨距離衰減更快。

但不管是偶極子天線還是環(huán)形天線，在遠場范圍內(nèi)，電、磁場隨距離衰減速度一致，此時的波阻抗為377Ω，這是重要的參數(shù)，后面會用到。

6. 空間傳導(dǎo)噪聲抑制

對于靜電耦合和電磁耦合的噪聲抑制方法，前文已經(jīng)介紹了，這里不做贅述，這部分介紹屏蔽材料對電波干擾的抑制，也叫做電磁屏蔽。

屏蔽效果可以用SE = R + A近似表示，R表示反射損耗，A表示衰減損耗。

反射損耗R是利用阻抗不匹配，將噪聲反射，來抑制干擾，和阻抗非常相關(guān)，記不記得前文的377Ω？一會就會用到。

而衰減損耗是利用高頻趨膚效應(yīng)來衰減電磁波，和屏蔽材料、頻率有關(guān)。

前文提到過遠場波阻抗是377Ω，而銅板等屏蔽材料是高電導(dǎo)率材料，其阻抗非常非常小，10MHZ時，銅的固有阻抗大約只有1mΩ，相差了30萬倍，鐵的阻抗也非常小，遠場波阻抗與屏蔽材料阻抗差距巨大，產(chǎn)生反射，因此單看反射系數(shù)，就可以達到100dB的衰減效果。

如果使用導(dǎo)電率更高的材料，反射損耗就更多，屏蔽效果就越好。

從下圖也可以看出，使用更厚的材料，衰減損耗就更多，屏蔽效果也越好。

圖來自村田官網(wǎng)

趨膚深度是評價趨膚效應(yīng)強度的參數(shù)，相同尺寸的不同材料，趨膚深度更小的材料對干擾衰減更強，抑制干擾的效果越好。

下圖是本節(jié)重點！

鐵的電導(dǎo)率比銅低，但磁導(dǎo)率比銅高。

從下圖可以解讀出，相同頻率時，鐵比銅趨膚深度更小，即由于鐵的磁導(dǎo)率高，衰減損耗更大，衰減損耗引起的抗干擾效果更好。

從上圖還可以解讀出，頻率越高，趨膚深度就越小，因此高頻時即使用非常薄的金屬材料就可以實現(xiàn)良好的屏蔽效果。

但是！

如果頻率很低，那么趨膚深度就很大，抑制低頻干擾需要非常厚的屏蔽材料，此時使用高磁導(dǎo)率的鐵等材料屏蔽效果更好。

高頻干擾屏蔽電場，選用較薄材料；

低頻干擾屏蔽磁場，使用膠厚材料就是這么來的。

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