浅谈金属外壳屏蔽EMI技术的奥秘

1、屏蔽的商业必要性

笔者提出的一个重要概念：

一个项目在计划阶段就要考虑屏蔽问题，这样花费在屏蔽措施上的成本才会最低。

若等到问题暴露出来再去查漏补缺，往往需要付出相当大的代价。

屏蔽措施往往带来费用和仪器重量的增加，若能以其他EMC方式加以解决，就尽量减少屏蔽。（言下之意屏蔽是最后一招）

对于PCB应注意以下两点：

1、使导线及元器件尽量靠近一块大的金属板（这个金属板不是指屏蔽体）

2、使电气部件及线路尽量靠近地层（减少层间信号的电磁干扰、地层可以吸收部分干扰 ）这样，即使是需要加屏蔽，也可以降低对屏蔽效能（SE shiedling effectiveness）的需求。

2、屏蔽的概念

屏蔽相当于一个滤波器，放置于电磁波的传播路径上，对其中的一部分频段形成高阻抗。阻抗比越大，屏蔽效能越好。

对于一般金属，0.5mm的厚度就能对1MHz的电磁波产生较好的屏蔽效果，对100MHz能有非常好的屏蔽效果，问题在于薄层金属屏蔽对1MHz以下或孔隙来说，屏蔽效果就不行了，本文重点介绍这方面。

3、大的间距、矩形屏蔽会更好

(1) 电路之间、屏蔽之间更大的间距能够减少相互干扰；

(2) 矩形（或不规则）的屏蔽外形，能够尽量避免频率共振；正方形的外壳往往容易引起共振；

但总的来说，电路板一般位于屏蔽体内，其元器件、线路等都会改变预期的共振频率点，所以不必太操心。

4、趋肤效应

趋肤深度

工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368（即1/e）的厚度为趋肤深度或穿透深度Δ:

式中:

μ－导线材料的磁导率；

γ＝1/ρ－材料的电导率；

k－材料电导率（或电阻率）温度系数；

上图：不同频率下三种金属的趋肤效应深度（频率越高，深度越浅，越趋肤）；趋肤效应以传导的角度看，是希望趋肤深度深的，那表示导线的利用率高；但是对于屏蔽，是希望趋肤深度浅的，这样就能以较薄的金属屏蔽更多的电磁频段；50Hz的趋肤深度5～15mm，很难屏蔽……

用于屏蔽的金属应有良好的导电及导磁性能，厚度根据干扰的最低频率所产生的趋肤深度来定。一般1mm的低碳钢板或者1μm的镀锌层就能满足一般的应用。（这也是实际中常看到机箱壁上镀锌的原因）

5、孔隙

如果屏蔽体的整个壳体是无缝无孔的，那么对于30MHz的电磁波来说，要达到100dB的衰减效果不是难事。问题就在于他们不是无缝无孔的：

在一个完美的屏蔽壳体上开一个洞，相当于构成一个半波共振缝隙天线，屏蔽效能SE与孔的最大尺寸d、电磁波波长λ关系如下：

那么对于之前提到的30MHz，波长10m，假设有一个USB口（孔径对角线尺寸10mm），换算下来SE为54dB，d越大，SE越小。

我们常用到的电磁波频段：

我们在常规应用中制造出的干扰及谐波频段：

孔隙、平率与屏蔽效能的大致关系：

要达到40dB的SE，通常需要用导体垫圈、弹簧夹指来进行密封，注意内部元件与屏蔽罩的间距、数据总线与开孔和缝隙之间的距离。

还要注意，当屏蔽体中有电流，且电流的前进方向上有孔缝挡路，迫使电流绕行时，将引起孔缝类似天线而发射磁场，通过孔缝变化的电压产生磁场。

6、低频磁场的屏蔽

采用高磁导率的合金材料（如非晶合金、坡莫合金），按一定规格制成屏蔽罩，可大幅度减小磁场影响。

7、截至波导

8、垫圈

采用良导体，用于填缝，能承受一定的挤压变形，抗腐蚀、经久耐用.

 

9、可视组件的屏蔽

10、通风孔的屏蔽

将通风孔做成两种形式：

(1)金属网格（类似蜂窝铝板）

(2) (截至)波导

11、用喷漆或电镀的塑料

因为开模塑料美观轻便，所以时常使用，对这种情况，一般在塑料杯面喷涂导电材料，因为导电层厚度不可能太厚（微米级），实际效果不怎么样。

对于二类电器(class II)，还可能增加静电放电（ESD）的可能性。

二类电器：这类电器采用双重绝缘或加强绝缘，没有接地要求。

12、非金属屏蔽

如碳纤维或导电聚合物（导电塑料），但是无论如何其SE都不及金属的好。

13、屏蔽罩的安装

14、板级屏蔽