一文讀懂外殼EMC屏蔽技術

 

1、屏蔽的商業必要性

筆者提出的一個重要概念：

一個項目在計劃階段就要考慮屏蔽問題，這樣花費在屏蔽措施上的成本才會最低。

若等到問題暴露出來再去查漏補缺，往往需要付出相當大的代價。

屏蔽措施往往帶來費用和儀器重量的增加，若能以其他EMC方式加以解決，就儘量減少屏蔽。（言下之意屏蔽是最後一招）

對於PCB應注意以下兩點：

1、使導線及元器件儘量靠近一塊大的金屬板（這個金屬板不是指屏蔽體）

2、使電氣部件及線路儘量靠近地層（減少層間信號的電磁幹擾、地層可以吸收部分幹擾 ）這樣，即使是需要加屏蔽，也可以降低對屏蔽效能（SE shiedling effectiveness）的需求。

2、屏蔽的概念

屏蔽相當於一個濾波器，放置於電磁波的傳播路徑上，對其中的一部分頻段形成高阻抗。阻抗比越大，屏蔽效能越好。

對於一般金屬，0.5mm的厚度就能對1MHz的電磁波產生較好的屏蔽效果，對100MHz能有非常好的屏蔽效果，問題在於薄層金屬屏蔽對1MHz以下或孔隙來說，屏蔽效果就不行了，本文重點介紹這方面。

3、大的間距、矩形屏蔽會更好

(1) 電路之間、屏蔽之間更大的間距能夠減少相互幹擾；

(2) 矩形（或不規則）的屏蔽外形，能夠儘量避免頻率共振；正方形的外殼往往容易引起共振；

但總的來說，電路板一般位於屏蔽體內，其元器件、線路等都會改變預期的共振頻率點，所以不必太操心。

4、趨膚效應

趨膚深度

工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（即1/e）的厚度為趨膚深度或穿透深度Δ:

式中:

μ－導線材料的磁導率；

γ＝1/ρ－材料的電導率；

k－材料電導率（或電阻率）溫度係數；

上圖：不同頻率下三種金屬的趨膚效應深度（頻率越高，深度越淺，越趨膚）；趨膚效應以傳導的角度看，是希望趨膚深度深的，那表示導線的利用率高；但是對於屏蔽，是希望趨膚深度淺的，這樣就能以較薄的金屬屏蔽更多的電磁頻段；50Hz的趨膚深度5～15mm，很難屏蔽……

用於屏蔽的金屬應有良好的導電及導磁性能，厚度根據幹擾的最低頻率所產生的趨膚深度來定。一般1mm的低碳鋼板或者1μm的鍍鋅層就能滿足一般的應用。（這也是實際中常看到機箱壁上鍍鋅的原因）

5、孔隙

如果屏蔽體的整個殼體是無縫無孔的，那麼對於30MHz的電磁波來說，要達到100dB的衰減效果不是難事。問題就在於他們不是無縫無孔的：

在一個完美的屏蔽殼體上開一個洞，相當於構成一個半波共振縫隙天線，屏蔽效能SE與孔的最大尺寸d、電磁波波長λ關係如下：

那麼對於之前提到的30MHz，波長10m，假設有一個USB口（孔徑對角線尺寸10mm），換算下來SE為54dB，d越大，SE越小。

我們常用到的電磁波頻段：

我們在常規應用中製造出的幹擾及諧波頻段：

孔隙、平率與屏蔽效能的大致關係：

要達到40dB的SE，通常需要用導體墊圈、彈簧夾指來進行密封，注意內部元件與屏蔽罩的間距、數據總線與開孔和縫隙之間的距離。

還要注意，當屏蔽體中有電流，且電流的前進方向上有孔縫擋路，迫使電流繞行時，將引起孔縫類似天線而發射磁場，通過孔縫變化的電壓產生磁場。

6、低頻磁場的屏蔽

採用高磁導率的合金材料（如非晶合金、坡莫合金），按一定規格製成屏蔽罩，可大幅度減小磁場影響。

7、截至波導

8、墊圈

採用良導體，用於填縫，能承受一定的擠壓變形，抗腐蝕、經久耐用.

9、可視組件的屏蔽

10、通風孔的屏蔽

將通風孔做成兩種形式：

(1)金屬網格（類似蜂窩鋁板）

(2) (截至)波導

11、用噴漆或電鍍的塑料

因為開模塑料美觀輕便，所以時常使用，對這種情況，一般在塑料杯麵噴塗導電材料，因為導電層厚度不可能太厚（微米級），實際效果不怎麼樣。

對於二類電器(class II)，還可能增加靜電放電（ESD）的可能性。

二類電器：這類電器採用雙重絕緣或加強絕緣，沒有接地要求。

12、非金屬屏蔽

如碳纖維或導電聚合物（導電塑料），但是無論如何其SE都不及金屬的好。

13、屏蔽罩的安裝

14、板級屏蔽