Harwin的现成屏蔽解决方案

今天的电路就像徜徉在强度和频率波动很大的电磁（EM）能量之海中的小舟。电磁干扰 (EMI)、射频干扰 (RFI)（通常被归为电磁兼容 (EMC) 主题）是普遍存在的相关现象，会影响电路的性能和正式产品的合规认可。虽然这些问题从电子技术出现的早期即已受到关注，但由于无线连接的普及以及更高频率、更敏感电路和更低电压轨的使用，这些问题所带来的挑战也越来越困难。

影响电路的干扰可能是由于附近有意和无意的电磁能量发射器造成的，也可能是自然或人为来源造成的。电路本身也可能发出不希望或不可接受的电磁能量，从而影响附近的电子设备。最常见缓解 EMI/RFI 能量问题的解决方案是，在电路板的关键部件甚至整个模块周围增加屏蔽。在试验板和原型阶段，这种屏蔽可以临时了解问题所在，减弱并解决问题。然而，这种临时的解决方案与制造环境，或与测试、调试和维修站并不兼容。

本文明确了印刷电路板、组件和产品的 EMC 基本挑战。然后探讨了 Harwin 的现成屏蔽解决方案，以及如何使用它们来提高技术有效性和生产兼容性。

EMC 问题有两种引发途径

电干扰能量可以通过传导或辐射形式从源头传递到“受害者”电路（图 1）。在传导情形下，能量会通过导线或电缆等导体传播。设计人员通常使用铁氧体磁珠、滤波器、扼流圈和其他无源元件来衰减这种能量。在辐射情形下，能量路径是通过空气或真空从源头扩散到受害者，没有金属导体。

这些有害影响有时可以通过重新摆放源头或受害者处元器件位置来减少，但这是一个耗时的过程，通常是不切实际、不可能或无效的。同样，滤波也不是一个可行的选择，因为大部分的干扰 EMI/RFI 能量都在相关的工作射频 (RF) 频段内，滤波会降低所需信号的强度，影响系统性能。

对于一些辐射 EMI 的情形，有时会使用一种称为“扩频”的技术来降低工作频率的峰值 EMI 发射。在这种方法中，电路的时钟作为一种跳频形式，在其标称频率周围随机“抖动”。这样可以将射频能量分散到整个频谱上，但它并没有减少整体的发射能量（图 2）。

扩频方式被一些设计者认为是一种“欺骗”，因为这样做主要是为了满足辐射限制，而另一些设计者则认为这是一种简单有效的解决方案。这种方式主要适用于固定工作频率并不重要的 DC-DC 开关稳压器；但对于许多载波和工作频率稳定性至关重要的情况来说，扩频跳频并不适合。

无源屏蔽：往往就是解决之道

在大多数 EMC 情形下，干扰能量电路是设计者无法控制的，但必须在源头或受害者处削减它。处理辐射式 EMI/RFI 的一个有效而广泛使用的解决方案是，根据情况在干扰能量源或受害者周围增加接地金属屏蔽层。这带来了两个工程问题：

印刷电路板的哪些区域需要屏蔽？

在生产环境中应该如何实施这种屏蔽，才能最大限度地减少上市所需时间、成本和对生产的影响？

在许多情况下，需要屏蔽的区域是显而易见的，例如射频收发器部分；而在另一些情况下，要找到发射过多 EMI/RFI 的电路部分或易受其影响的部分，则需要数倍努力。为了找到这些区域，设计人员通常会建造一个小的封闭 EMI 的导电盒，封闭和屏蔽所调查的区域。根据产品和设计的不同，这个盒子可能需要小到像指甲盖一样大，或者大到足以围住整个印刷电路板。

对于较小的射频外壳，可以使用薄铜片折成盒子，接缝处可以焊接或用带导电胶的铜带覆盖即可。对于中大型外壳，则可以将废旧的覆铜印刷电路板裁剪成所需的尺寸，然后将所有接缝用焊接或用导电胶带粘接起来（图 3）。在某些情况下，接缝处先做“定位焊”，以保证基本稳定，然后用导电胶带覆盖。

然后将盒子放置在所要评估的电路板区域上，并将开放底部与印刷电路板之间的接缝线焊接到低阻抗的射频地线上。实际操作时，可能比看起来更有挑战性，因为印刷电路板往往还没有对应于所建罐体周边的接地印制线。虽然几个连接点可能就够了，但更连续的接地接缝意味着进入或离开罐组件的射频泄漏路径就会更少。

这种焊接的方法还有一个问题。由于许多印刷电路板的覆铜很薄，将测试罐与板子焊接或脱焊很可能会损坏精细的覆铜并损坏板子。因此，在构建并粘接这些屏蔽罐之前，最好使用射频探头和嗅探器对具体情形进行一些测量。

一个更好的原型屏蔽方法

使用铜箔或覆铜印刷电路板制造屏蔽罐确实可行，但这是一个耗时的过程。而且还需要处理 FR-4 衬底（如果使用印刷电路板），如果没有合适的装备，很难切割，除非戴上手套，否则会在手指上留下讨厌的玻璃纤维“碎片”。即使是使用裸铜板也有问题，因为如果处理不慎，可能会割伤手指，而且可能需要使用一台小的弯板机来进行边缘和角部 90° 折弯。乍一看这个自制屏蔽测试盒的 DIY 方法好像很简单，但实际上并不像它看起来那样快速、方便，尽管它肯定确实可行。

幸运的是，我们有 Harwin S01-806005RFI 屏蔽罐套件，它提供了更好的解决方案。该套件提供两张蚀刻成 5 mm (mm) 正方形网格的屏蔽罐片材、24 个 RFI 屏蔽夹以及简单易懂的说明。要制作一个基本的折叠盒，只需画出所需盒子尺寸的简图，剪去不要的片材，然后用金属尺作为导板和临时弯板机，将剩余的材料沿蚀刻线折弯即可（图 4）。

图 4：使用 Harwin S01-806005 RFI 屏蔽罐套件，用户可以使用提供的带有 5 mm 蚀刻网格图案的金属片轻松定制屏蔽罐。（图片来源：Harwin）

现在，只需将套件提供的 S1711-46R RFI 屏蔽夹回流焊或手工焊接到电路板上，然后将罐子扣入屏蔽夹即可实现屏蔽罐与电路板的连接（图 5）。这比试图将罐子直接焊接到电路板上的方法要好得多，而且还可以根据需要轻松地将罐子拆下，以便对“封闭”的电路进行测试、测量、评估和调试。

原型开发不是生产

虽然 DIY 罐子或 Harwin 屏蔽罐套件都可以成为 EMC 解决方案，但它们并不兼容大规模甚至是小批量生产。显然，用印刷电路板“废料”或折叠铜板制造一定数量的外壳，需要额外的生产步骤和时间，而且属于非标准项目，不能列入物料清单 (BOM)。即使可以接受，通过沿着外壳和板子之间的接缝将其焊接到印刷电路板上也是一种手工操作，不像其他元件的标准回流焊；而且还很可能损坏板子，且拆下来测试或维修也不切实际。

同样，还有一个更好的办法来解决这个问题，那就是使用 Harwin 的预制射频屏蔽罐和配套安装夹。这些高射频传导、非电镀镍银矩形罐有多种尺寸和高度可供选择，从很小的尺寸为 10 mm x 10 mm x 3 mm 高（0.394 x 0.394 x 0.12 英寸）、0.15 mm 材料厚度的 S03-10100300R（图 6），到像 S01-50250500 这样尺寸为 25 mm x 50 mm x 5 mm 高（约 1×2×0.25 英寸）、厚 0.3 mm 的更大罐子。

这些罐子本身只解决了部分生产性要求。因此，Harwin 还提供了多种夹子，这些夹子可以回流焊到印刷电路板上（图 7），而罐子可以扣入夹子或从上面取下。不同的夹子适合不同的板子，包括布局、方向、安装方式、对相邻印刷电路板走线和平面的干扰，以及罐子材料的厚度。

某些夹子样式是为带有天线馈线的移动设备应用而设计的，有一些配置可以防止过度压缩，防止意外卡住，并且可以垂直或水平使用。提供外形低至 1.1 mm 的微型夹子，以及为解决局部涡流干扰而设计的 90⁰ 角夹子。

考虑射频衰减、冷却因素

在电路元件周围设置固体表面金属罐有一个基本现实问题，就是它们会阻碍所包围元件表面的对流冷却气流。似乎在许多应用中应该排除使用屏蔽罐，但实际情况并非如此。原因是罐子的金属壳相当薄，根据罐子具体型号和规格，厚度 从 0.15 到 0.3 mm 不等。这种厚度对于热量从罐子内部向罐子外部传导只造成了很小的障碍。热量传到罐子外表面后，就可以通过自然或强制空气对流或其他方式散发出去。

在这方面，薄金属罐的热性能要比普通 FR-4 印刷电路板材料制成的屏蔽外壳好得多。后者导热系数在 1 至 3 瓦/米-开尔文 (W/m-K) 之间，标准厚度为 1.6 毫米，因此热阻要高得多。将这一数字与镍银的导热率进行比较，镍银的导热率要高出 1000 倍左右，而且也要薄得多（只有 0.15 到 0.3 毫米）。通过基本的热建模可以量化薄金属罐对冷却的影响。另外，还可以按照标准的技术，利用底层印刷电路板覆铜的高导热率来带走所安装元件的大量热量。这在几乎所有情况下，都是一种很好的做法。

改善屏蔽罐热对流的一个明显的解决方案就是在罐体表面开孔。然而，这又增加了一系列新的问题。孔洞必须足够小，间距足够远，否则就可能有射频泄漏。由于允许的最大直径和间距是波长的函数，一般最直接的要求是，任何开口不得超过所屏蔽射频最短波长的十分之一。

然而，决定临界波长和孔大小并不总是很容易或很明显，因为干扰射频能量的频率可能比产品的视在工作频率或载波频率更高（因此波长更短）。考虑到千兆赫干扰频率信号会使附近的兆赫频率前端放大器过载和饱和，因此允许的最大孔径必须比简单的产品工作频率初步分析确定的要小得多。

请记住，除了确保电路性能外，屏蔽罐和夹子的另一个目标可能是在较宽的频率范围内提供射频衰减，以满足产品的法规要求。这些与 EMC 相关的法规标准定义了产品在射频频谱的各个区域内可以产生的最大 RFI/EMI，以及产品作为 EMI/RFI 受害者的允许敏感度，而不考虑标称工作频率。

因此，屏蔽通常不仅要保证在明显工作频率下的性能，还必须在更广泛的 EM 频谱上提供衰减。使用仅按照标称工作频率确定尺寸的冷却孔，可能会降低对那些较短波长频谱的衰减，并可能影响监管机构的认可。

结语

电磁兼容性和 RFI/EMI 问题几乎影响到所有电子产品和应用，而随着更高频率无线链路的使用越来越多，使得设计变得更具挑战性。辐射 EMI/RFI 导致了许多问题，而解决之道通常涉及基本射频屏蔽，即使用金属罐完全封闭受影响的电路。

这些金属罐可作为标品提供，有多种尺寸可选，同时提供采用各种配置的印刷电路板夹，让金属罐能够轻松地扣到电路板上或从其取下。这些夹子也完全兼容批量生产环境中进行 SMT 封装元件插入和焊接的设备。

责任编辑：xj

原文标题：使用合适的现成金属罐和夹子进行 EMI/RFI 屏蔽

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