EMI屏蔽究竟是怎麼回事?一文一探究竟

來源：All about circuits

作者：Ignacio deMendizábal

編譯：付斌

 

身為電子工程師，噪聲和輻射無處不在，作為電子設計師必須掌握EMI電磁屏蔽相關知識，而這些知識和解決方案將廣泛用於改善設備免於受到外部電磁幹擾。

麥克斯韋方程顯示，每當電流經流導體時，都會產生磁場，而磁場將會產生電場。電場和磁場的輻射特性被稱之為輻射發射。

這些輻射發射將會在電路或整個印刷電路板（PCB）中引發一些問題。在理想電路之中，電路本身發射的信號只包括電流和電壓，而在現實世界中，噪音是繞不開的問題。當電路信號受到任何幹擾時，就會發生這種情況。

由於電磁信號的性質，並不能避免噪聲的存在，但是可以大大降低其影響。

需要注意的是，設備在運行時不會受到其他設備的影響，正如設備不會受到其他設備影響一樣，電磁敏感性是電路系統受到幹擾仍然保持正常工作的能力。這種敏感性將取決於施加的噪聲水平，而不同的應用諸如車載、醫療、軍事等領域，擁有不同的程度磁化率。

每個電路、設備或系統都必須經過適當的設計，儘可能減少輻射水平，來達到只對高水平的電磁場敏感。

電磁兼容性（EMC）認證是任何產品上市必須經過的步驟，每個產品都必須通過EMC測試， 以確保安裝時不會影響任何其他設備（例如輻射測試），並且即使周圍存在其他系統（例如，敏感性測試）。

EMC測試在消聲室內進行，圖片來源於Hermon Laboratories提供

通常來說，電子設備都會安裝在外殼內，金屬外殼非常擅長限制電磁屏蔽，但相對來說並不完美。PCB和外殼之間的結合處會出現孔或槽，並且電磁場可以穿過它們，簡言之EMI屏蔽就是要覆蓋這些孔或槽。

此外，許多產品設計中存在一個普遍問題：僅在設計周期的最新階段才去考慮EMC認證的問題，在此情況下，整體的設計就被凍結到了這個階段，EMC工程師並沒有空間去修改產品設計解決電磁相關的問題。因此，一整套的工具與生態，並無需再次修改PCB對於EMI屏蔽起著至關重要的作用。

小型化和高效能一直以來是電子產品發展的全球趨勢，PCB具有越來越短的上升時間和越來越快的數字電路。上升時間越短，帶寬越大，而在此同時波長則會越小。當電路中波長與PCB的物理尺寸相當時，就會出現一定問題。如果這些波長足夠小，可能會到達外部並與其他設備產生幹擾。

可以使用EMI屏蔽（即採用有助於覆蓋這些小孔並改善機械外殼的法拉第籠效應的磁性材料）封閉這些開口。

無數種的EMI屏蔽擁有不同的材料和形狀，但總的來說最終的目標都是限制電磁場。

屏蔽元件充當阻擋電磁輻射的屏障，事實上，這種屏蔽方式的過程擁有巨大的衰減，這將取決於電磁波和屏蔽元件的材料。

當波撞擊屏蔽材料時，會生成兩種新的波，包括反射波和透射波。因此，入射波的能量將分裂為這兩種波。所傳輸的組件是關鍵的相關組件，波將穿過屏蔽材料而到達外面。屏蔽的有效性將決定其衰減該分量的能力。

趨膚深度是波在其幅度降低到1 / e之前可以傳播的距離，該參數取決於材料磁導率，頻率和電阻率的因素，可通過以下表達式近似表示：

註：σ 表示電導率，μ表示磁導率，F表示頻率

使用屏蔽材料的目的是在波通過後儘可能減小波的幅度。因此，選擇合適的材料類型及其厚度t是極其重要的，以確保系統的所有頻率都被衰減。

屏蔽材料在此任務中的表現如何，取決於屏蔽效果（S.E），如下所示：

註：第一項代表反射損耗，第二項代表吸收損耗。

EMI屏蔽類型將很大程度上取決於產品的類型、電磁要求和環境條件。最常見的EMI屏蔽如下：

EMI墊片用於覆蓋兩個機械錶面間不規則但又存在的微孔，這些墊片還可用來改善接地連接。它們具有粘性部分和許多輪廓，因此可以輕鬆地安裝在不同類型的機械接頭之中。

可以切割墊片以適應任何系統，圖片來源於WürthElektronik提供

想要確保所有微孔都被蓋住，但對於像EMI墊片之類的選件並沒有太多垂直空間時，EMC膠帶就是首選了。這些膠帶的頂部具有高導電性的材料（例如鎳或銅），另一側具有粘合劑。

EMC屏蔽膠帶有許多長度和寬度選擇，圖片來源Holland Shielding Systems BV提供

任何設備都需要短而寬且直連的接地線，如果這項連接做不好，將會形成不需要的單極子，這將會產生輻射電磁場。金屬夾改善了這種連接並加強了機械連接。

如CPU、存儲IC和射頻（RF）級之這類的幹擾源來說，選擇PCB層上利用屏蔽櫃單獨屏蔽是極佳的選擇。

屏蔽櫃可安裝在PCB上，圖片來源於Harwin Electronics提供

所有電路均會發出電磁輻射，並且容易被其他電路輻射。獲得將您的產品推向市場所需的認證可能是一個痛苦的測試過程。

各種形式和類型的EMI屏蔽都是解決EMI問題的基礎。

1. ElectromagneticCompatibility Engineering. Henry W. Ott. John Wiley & Sons, Inc. 2009

3. Learn EMC 2020,Shielding Theory.