【導(dǎo)讀】這里講全面講解有關(guān)電磁干擾的存在方式、類型、對(duì)設(shè)備工作的影響、屏蔽方法、EMC問題來源、金屬屏蔽效率、EMI抑制策略等等，值得大家學(xué)習(xí)。
電磁干擾(EMI)，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。
電磁干擾的存在方式
關(guān)于電磁干擾復(fù)雜性的眾多原因中的一個(gè)，即干擾可以以兩種不同的模式（共模模式和差模模式）存在。
“共模”干擾是指存在于線（包括電源線、信號(hào)線在內(nèi)）對(duì)大地之間的干擾，其中，對(duì)于電源線，則特指火線對(duì)大地，或中線對(duì)大地之間的干擾。對(duì)三相電路來說，共模干擾存在于任何一相與大地之間的干擾。共模干擾有時(shí)也稱為縱模干擾、不對(duì)擾干擾和接地干擾。這是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾。
“差模”干擾是線與線之間（包括電源線之間，信號(hào)線和它的接地回線之間）的干擾。針對(duì)電源線，差模干擾則特指相線與中線之間的干擾；對(duì)三相電路來說，差模干擾還指存在于相線與相線之間的干擾。差模干擾有時(shí)也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導(dǎo)體之間的電位差。
干擾存在的模式提示出了干擾源與耦合通路之間的關(guān)系。舉例說共模干擾提示了干擾是由輻射或串?dāng)_形式耦合到電路里面的。如雷電、設(shè)備近處的電弧、附近的電臺(tái)、其他大功率輻射裝置在電源線上的干擾，也包括機(jī)箱內(nèi)部線路或其他電纜對(duì)電源線的干擾。由于是來自空間的感應(yīng)（電磁輻射、電感耦合和電容耦合），故對(duì)每一根線的作用是相同的。而差模干擾則提示出干擾是起源在同一電源線路之中（直接注入）。如同一線路中工作的電機(jī)、開關(guān)電源、可控硅等，它們?cè)陔娫淳€上所產(chǎn)生的干擾就是差模干擾。
通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的，而且由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變。干擾在線路上經(jīng)過長距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模分量大，這是因?yàn)榫€間阻抗和線-地阻抗不同的緣故。另一方面，共模干擾的頻率一般分布在1～2MHz以上，因此共模干擾在線路上傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還會(huì)向周圍鄰近空間輻射（這是因?yàn)榫€-地阻抗較大，加上共模干擾的頻率比較高，故容易逸出傳輸線，形成空間感應(yīng)）。電源線的輻射，特別是進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后的電源線輻射，可進(jìn)一步耦合到信號(hào)電路去形成干擾，所以很難防范。而差模干擾的頻率相對(duì)較低，不易形成輻射。再加上在一般線路中，在對(duì)付差模干擾時(shí)己經(jīng)有了不少措施（例如在穩(wěn)壓電路中己經(jīng)用了很大的電容；在印刷線路板上，電源線與地線之間也普遍使用了去耦電容），故由差模干擾引起設(shè)備誤動(dòng)作的機(jī)會(huì)相對(duì)少些。因此，設(shè)備的敏感度問題大部分是由共模干擾引起的。
在當(dāng)前共模干擾是我們考慮的重點(diǎn)，這可以從常用的抗擾度試驗(yàn)內(nèi)容來得到證實(shí)。其中靜電試驗(yàn)、高頻輻射電磁場(chǎng)試驗(yàn)、電快速瞬態(tài)脈沖群試驗(yàn)、線-地間的雷擊浪涌試驗(yàn)和由射頻場(chǎng)感應(yīng)所引起的傳導(dǎo)試驗(yàn)等等，對(duì)受試設(shè)副和線路來說，它們所感受到的都是共模干擾。
電磁干擾的類型
造成電磁干擾復(fù)雜性（特別電源線干擾的復(fù)雜性）的第二個(gè)原因是干擾表現(xiàn)的形式很多，可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾直至電網(wǎng)完全失電。其中也包括了電壓的變化（如電壓跌落、浪涌和中斷）、頻率變化、波形失真（包括電壓和電流的）、持續(xù)噪聲或雜波，以及瞬變等等。下表是經(jīng)?？梢砸姷降母蓴_類型和它們的起因：
不是所有的電磁干擾都會(huì)給電子設(shè)備帶來麻煩，事實(shí)上只有兩個(gè)是非常重要的原因：持續(xù)期短的尖峰干擾和長時(shí)間的電壓跌落。尖峰干擾可以通過串?dāng)_或直接進(jìn)入電源的方式耦合到系統(tǒng)去，從而引起內(nèi)部邏輯電路的偽觸發(fā)。電壓的跌落可以引起存貯電路或其他易失數(shù)據(jù)的丟失。而另外一些干擾，如輕微的過電壓、諧波失真或頻率偏移等通常是不會(huì)引起計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)誤動(dòng)作的。
電磁干擾對(duì)設(shè)備工作的影響
有三組代表性的數(shù)據(jù)描述電源線干擾對(duì)于設(shè)備工作的影響，分別由美國IBM公司、AT&T公司和美國海軍作出：
① 美國IBM公司的Allen和Segal在1974年對(duì)裝在美國、加拿大和墨西哥的49臺(tái)計(jì)算機(jī)的故障作了統(tǒng)計(jì)和分析，認(rèn)為造成計(jì)算機(jī)故障中的電源起因，有49[%]是振蕩瞬變，39.5[%]是脈沖干擾，11[%]是電壓跌落，另有0.5[%]是電源中斷。
② 美國AT&T公司的Goldstenin和Sperenza在1982年對(duì)通信設(shè)備故障原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為由電源造成的部分起因中，有87[%]是電壓跌落，7.5[%]是脈沖干擾，4.7[%]是電源失效，另有0.8[%]是電壓浪涌。
③ 美國海軍的Thomas Key匯總了海軍系統(tǒng)十年內(nèi)的計(jì)算機(jī)事故，認(rèn)為電壓過低是造成計(jì)算機(jī)故障的首要原因。
以上三組數(shù)據(jù)的結(jié)論大相徑庭，其差異可歸結(jié)為統(tǒng)計(jì)對(duì)象的不同。但從三組數(shù)據(jù)還是可以看出一些端倪：因電源問題造成設(shè)備故障的主要原因有兩個(gè)，分別是電壓過低和電源中有瞬變干擾（振蕩瞬變和脈沖干擾）。
屏蔽電磁干擾的方法
EMC問題常常是制約中國電子產(chǎn)品出口的一個(gè)原因，本文主要論述EMI的來源及一些非常具體的抑制方法。
電磁兼容性(EMC)是指“一種器件、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時(shí)不會(huì)對(duì)此環(huán)境中任何其他設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾(IEEE C63.12-1987)”對(duì)于無線收發(fā)設(shè)備來說，采用非連續(xù)頻譜可部分實(shí)現(xiàn)EMC性能，但是很多有關(guān)的例子也表明EMC并不總是能夠做到例如在筆記本電腦和測(cè)試設(shè)備之間、打印機(jī)和臺(tái)式電腦之間以及蜂窩電話和醫(yī)療儀器之間等都具有高頻干擾，我們把這種干擾稱為電磁干擾(EMI)。
EMC問題來源
所有電器和電子設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時(shí)變化速率還相當(dāng)快，這樣會(huì)導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個(gè)頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會(huì)將這種能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中。
EMI有兩條途徑離開或進(jìn)入一個(gè)電路：輻射和傳導(dǎo)信號(hào)輻射是通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去；而信號(hào)傳導(dǎo)則通過耦合到電源、信號(hào)和控制線上離開外殼，在開放的空間中自由輻射，從而產(chǎn)生干擾。
很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)時(shí)候下面這些簡(jiǎn)單原則可以有助于實(shí)現(xiàn)EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；通過屏蔽、過濾或接地將干擾產(chǎn)生電路隔離以及增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力等EMI抑制性、隔離性和低敏感性應(yīng)該作為所有電路設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)，這些性能在設(shè)計(jì)階段的早期就應(yīng)完成。
對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，采用屏蔽材料是一種有效降低EMI的方法如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用，從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)無論是金屬還是涂有導(dǎo)電層的塑料，一旦設(shè)計(jì)人員確定作為外殼材料之后，就可著手開始選擇襯墊。
金屬屏蔽效率
可用屏蔽效率(SE)對(duì)屏蔽罩的適用性進(jìn)行評(píng)估，其單位是分貝，計(jì)算公式為：
SEdB=A+R+B
其中 A：吸收損耗(dB) R：反射損耗(dB) B：校正因子(dB)(適用于薄屏蔽罩內(nèi)存在多個(gè)反射的情況)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的屏蔽罩會(huì)使所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場(chǎng)合可能會(huì)要求將場(chǎng)強(qiáng)降至為最初的十萬分之一，即SE要等于100dB。
吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時(shí)能量損耗的數(shù)量，吸收損耗計(jì)算式為
AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t
其中 f：頻率(MHz) μ：銅的導(dǎo)磁率 σ：銅的導(dǎo)電率 t：屏蔽罩厚度
反射損耗(近場(chǎng))的大小取決于電磁波產(chǎn)生源的性質(zhì)以及與波源的距離對(duì)于桿狀或直線形發(fā)射天線而言，離波源越近波阻越高，然后隨著與波源距離的增加而下降，但平面波阻則無變化(恒為377)。
相反，如果波源是一個(gè)小型線圈，則此時(shí)將以磁場(chǎng)為主，離波源越近波阻越低波阻隨著與波源距離的增加而增加，但當(dāng)距離超過波長的六分之一時(shí)，波阻不再變化，恒定在377處。
反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化，因此它不僅取決于波的類型，而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離這種情況適用于小型帶屏蔽的設(shè)備。
近場(chǎng)反射損耗可按下式計(jì)算
R(電)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+[10×lg(μ/σ)]
其中 r：波源與屏蔽之間的距離
SE算式最后一項(xiàng)是校正因子B，其計(jì)算公式為
B=20lg[-exp(-2t/σ)]
此式僅適用于近磁場(chǎng)環(huán)境并且吸收損耗小于10dB的情況由于屏蔽物吸收效率不高，其內(nèi)部的再反射會(huì)使穿過屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個(gè)負(fù)數(shù)，表示屏蔽效率的下降情況。
EMI抑制策略
只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才能在極低頻率下達(dá)到較高屏蔽效率這些材料的導(dǎo)磁率會(huì)隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場(chǎng)較強(qiáng)也會(huì)使導(dǎo)磁率降低，還有就是采用機(jī)械方法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會(huì)降低導(dǎo)磁率綜上所述，選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)雜，通常要向EMI屏蔽材料供應(yīng)商以及有關(guān)咨詢機(jī)構(gòu)尋求解決方案。
在高頻電場(chǎng)下，采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達(dá)到良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續(xù)，并將敏感部分完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙(形成一個(gè)法拉第籠)然而在實(shí)際中要制造一個(gè)無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個(gè)部分進(jìn)行制作，因此就會(huì)有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的連線。
設(shè)計(jì)屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生孔隙，而且設(shè)備運(yùn)行過程中還會(huì)需要用到這些孔隙制造、面板連線、通風(fēng)口、外部監(jiān)測(cè)窗口以及面板安裝組件等都需要在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設(shè)計(jì)中對(duì)與電路工作頻率波長有關(guān)的溝槽長度作仔細(xì)考慮是很有好處的。
任一頻率電磁波的波長為: 波長(λ)=光速(C)/頻率(Hz)
當(dāng)縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時(shí),RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減通常RF發(fā)射頻率越高衰減越嚴(yán)重，因?yàn)樗牟ㄩL越短當(dāng)涉及到最高頻率時(shí)，必須要考慮可能會(huì)出現(xiàn)的任何諧波，不過實(shí)際上只需考慮一次及二次諧波即可。
一旦知道了屏蔽罩內(nèi)RF輻射的頻率及強(qiáng)度，就可計(jì)算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽例如如果需要對(duì)1GHz(波長為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會(huì)開始產(chǎn)生衰減，因此當(dāng)存在小于150mm的縫隙時(shí)，1GHz輻射就會(huì)被衰減所以對(duì)1GHz頻率來講，若需要衰減20dB，則縫隙應(yīng)小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰減26dB時(shí)，縫隙應(yīng)小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰減32dB時(shí)，縫隙應(yīng)小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合適的導(dǎo)電襯墊使縫隙大小限定在規(guī)定尺寸內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)這種衰減效果。
屏蔽設(shè)計(jì)難點(diǎn)
由于接縫會(huì)導(dǎo)致屏蔽罩導(dǎo)通率下降，因此屏蔽效率也會(huì)降低要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比，例如長度直徑比為3時(shí)可獲得100dB的衰減在需要穿孔時(shí)，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導(dǎo)特性；另一種實(shí)現(xiàn)較高長度直徑比的方法是附加一個(gè)小型金屬屏蔽物，如一個(gè)大小合適的襯墊上述原理及其在多縫情況下的推廣構(gòu)成多孔屏蔽罩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
多孔薄型屏蔽層：多孔的例子很多，比如薄金屬片上的通風(fēng)孔等等，當(dāng)各孔間距較近時(shí)設(shè)計(jì)上必須要仔細(xì)考慮下面是此類情況下屏蔽效率計(jì)算公式
SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 其中 fc/o：截止頻率 n：孔洞數(shù)目
注意此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況，也可用于計(jì)算金屬編織網(wǎng)的相關(guān)屏蔽效率。
接縫和接點(diǎn)：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進(jìn)行永久性固定的常用方式，接合部位金屬表面必須清理干凈，以使接合處能完全用導(dǎo)電的金屬填滿不建議用螺釘或鉚釘進(jìn)行固定，因?yàn)榫o固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長久保持。
導(dǎo)電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙，使RF輻射不會(huì)散發(fā)出去EMI襯墊是一種導(dǎo)電介質(zhì)，用于填補(bǔ)屏蔽罩內(nèi)的空隙并提供連續(xù)低阻抗接點(diǎn)通常EMI襯墊可在兩個(gè)導(dǎo)體之間提供一種靈活的連接，使一個(gè)導(dǎo)體上的電流傳至另一導(dǎo)體。
封孔EMI襯墊的選用可參照以下性能參數(shù)： ·特定頻率范圍的屏蔽效率 ·安裝方法和密封強(qiáng)度 ·與外罩電流兼容性以及對(duì)外部環(huán)境的抗腐蝕能力 ·工作溫度范圍 ·成本
大多數(shù)商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設(shè)備滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵是在屏蔽罩內(nèi)正確地對(duì)墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)。
墊片系統(tǒng)：一個(gè)需要考慮的重要因素是壓縮，壓縮能在襯墊和墊片之間產(chǎn)生較高導(dǎo)電率襯墊和墊片之間導(dǎo)電性太差會(huì)降低屏蔽效率，另外接合處如果少了一塊則會(huì)出現(xiàn)細(xì)縫而形成槽狀天線，其輻射波長比縫隙長度小約4倍
確保導(dǎo)通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并經(jīng)過必要處理以具有良好導(dǎo)電性，這些表面在接合之前必須先遮??；另外屏蔽襯墊材料對(duì)這種墊片具有持續(xù)良好的粘合性也非常重要導(dǎo)電襯墊的可壓縮特性可以彌補(bǔ)墊片的任何不規(guī)則情況。
所有襯墊都有一個(gè)有效工作最小接觸電阻，設(shè)計(jì)人員可以加大對(duì)襯墊的壓縮力度以降低多個(gè)襯墊的接觸電阻，當(dāng)然這將增加密封強(qiáng)度，會(huì)使屏蔽罩變得更為彎曲大多數(shù)襯墊在壓縮到原來厚度的30[%]至70[%]時(shí)效果比較好因此在建議的最小接觸面范圍內(nèi)，兩個(gè)相向凹點(diǎn)之間的壓力應(yīng)足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導(dǎo)電性。
另一方面，對(duì)襯墊的壓力不應(yīng)大到使襯墊處于非正常壓縮狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)導(dǎo)致襯墊接觸失效，并可能產(chǎn)生電磁泄漏與墊片分離的要求對(duì)于將襯墊壓縮控制在制造商建議范圍非常重要，這種設(shè)計(jì)需要確保墊片具有足夠的硬度，以免在墊片緊固件之間產(chǎn)生較大彎曲在某些情況下，可能需要另外一些緊固件以防止外殼結(jié)構(gòu)彎曲。
壓縮性也是轉(zhuǎn)動(dòng)接合處的一個(gè)重要特性，如在門或插板等位置若襯墊易于壓縮，那么屏蔽性能會(huì)隨著門的每次轉(zhuǎn)動(dòng)而下降，此時(shí)襯墊需要更高的壓縮力才能達(dá)到與新襯墊相同的屏蔽性能在大多數(shù)情況下這不太可能做得到，因此需要一個(gè)長期EMI解決方案。
如果屏蔽罩或墊片由涂有導(dǎo)電層的塑料制成，則添加一個(gè)EMI襯墊不會(huì)產(chǎn)生太多問題，但是設(shè)計(jì)人員必須考慮很多襯墊在導(dǎo)電表面上都會(huì)有磨損，通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損隨著時(shí)間增長這種磨損會(huì)降低襯墊接合處的屏蔽效率，并給后面的制造商帶來麻煩。
如果屏蔽罩或墊片結(jié)構(gòu)是金屬的，那么在噴涂拋光材料之前可加一個(gè)襯墊把墊片表面包住，只需用導(dǎo)電膜和卷帶即可若在接合墊片的兩邊都使用卷帶，則可用機(jī)械固件對(duì)EMI襯墊進(jìn)行緊固，例如帶有塑料鉚釘或壓敏粘結(jié)劑(PSA)的“C型”襯墊襯墊安裝在墊片的一邊，以完成對(duì)EMI的屏蔽。
襯墊及附件
目前可用的屏蔽和襯墊產(chǎn)品非常多，包括鈹-銅接頭、金屬網(wǎng)線(帶彈性內(nèi)芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線、導(dǎo)電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等大多數(shù)屏蔽材料制造商都可提供各種襯墊能達(dá)到的SE估計(jì)值，但要記住SE是個(gè)相對(duì)數(shù)值，還取決于孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等襯墊有多種形狀，可用于各種特定應(yīng)用，包括有磨損、滑動(dòng)以及帶鉸鏈的場(chǎng)合目前許多襯墊帶有粘膠或在襯墊上面就有固定裝置，如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置等。
各類襯墊中，涂層泡沫襯墊是最新也是市面上用途最廣的產(chǎn)品之一這類襯墊可做成多種形狀，厚度大于0.5mm，也可減少厚度以滿足UL燃燒及環(huán)境密封標(biāo)準(zhǔn)還有另一種新型襯墊即環(huán)境/EMI混合襯墊，有了它就可以無需再使用單獨(dú)的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和復(fù)雜程度這些襯墊的外部覆層對(duì)紫外線穩(wěn)定，可防潮、防風(fēng)、防清洗溶劑，內(nèi)部涂層則進(jìn)行金屬化處理并具有較高導(dǎo)電性最近的另外一項(xiàng)革新是在EMI襯墊上裝了一個(gè)塑料夾，同傳統(tǒng)壓制型金屬襯墊相比，它的重量較輕，裝配時(shí)間短，而且成本更低，因此更具市場(chǎng)吸引力。
結(jié)論
設(shè)備一般都需要進(jìn)行屏蔽，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身存在一些槽和縫隙所需屏蔽可通過一些基本原則確定，但是理論與現(xiàn)實(shí)之間還是有差別例如在計(jì)算某個(gè)頻率下襯墊的大小和間距時(shí)還必須考慮信號(hào)的強(qiáng)度，如同在一個(gè)設(shè)備中使用了多個(gè)處理器時(shí)的情形表面處理及墊片設(shè)計(jì)是保持長期屏蔽以實(shí)現(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因素。
