前面我們介紹過《EMC案例分析——開關電源中變壓器初、次級線圈之間的屏蔽層對產(chǎn)品EMI的影響》,文中介紹開關電源內部變壓器該如何做屏蔽,本文也是和開關電源有關,只是和開關電路本身沒有關系,主要介紹開關電源的外殼該如何配置以及配置不當對輻射發(fā)射的影響。
由于文章比較長,本次案例分兩篇來闡述。
Part 1
現(xiàn)象描述
如下圖所示,一個采用金屬外殼 “屏蔽” 的?AC/DC?電源產(chǎn)品 ( “屏蔽” 外殼上“屏蔽” 外殼上蓋板與下蓋板通過螺釘接觸良好, 螺釘之間間距為5cm)。
測試時有如下現(xiàn)象:
在進行輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn)不能通過。其測試頻譜圖如下:
去除電源的金屬 “ 屏蔽”外殼后, 測試反而能通過?其測試頻譜圖如下所示:
從測試頻譜圖可以看出, 采用金屬 “屏蔽” 外殼時的輻射發(fā)射水平遠高于不用金屬外殼時的輻射發(fā)射水平(有的差值在20dB以上)??
這似乎看起來與我們常見的電磁場屏蔽理論相違背?那究竟真相是什么呢?且待下文分解。
Part 2
原因分析
因為該案例是圍繞屏蔽與否對輻射發(fā)射的影響來展開的,那首先我們先要了解屏蔽的概念。
所謂屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間用金屬進行隔離, 以控制電場? 磁場和電磁波由一個區(qū)域對另一個區(qū)域的感應和輻射??
具體來講, 就是用屏蔽體將元器件? 電路? 組合件? 電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來, 防止干擾電磁場向外擴散,這個屬于EMI電場干擾的范疇,即降低對外界的干擾;
用屏蔽體將接收電路? 設備或系統(tǒng)包圍起來, 防止它們受到外界電磁場的影響,這個屬于EMS的范疇,即提高自身的抗干擾能力?
為什么屏蔽體可以起到屏蔽作用?其屏蔽的方式主要有以下幾種:
吸收能量(渦流損耗):導體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時,由導體內的感生電流導致的能量損耗,在導體內部形成的一圈圈閉合的電流線,稱為渦流(又稱傅科電流),這也是電磁爐的工作原理。
反射能量:電磁波在屏蔽體上的界面反射,這個在后面會有詳細介紹。
抵消能量:電磁感應在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場, 可抵消部分干擾電磁波。
實際上, 屏蔽按屏蔽機理可分為磁場屏蔽、 電磁場屏蔽和電場屏蔽。
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磁場主要產(chǎn)生于大電流? 小電壓的電路信號, 其方向可以用右手定則來判斷。
磁場的傳播可以看成是電路之間的互感而導致的耦合, 磁場屏蔽主要是依靠具有低磁阻的高導磁材料對磁通進行分路,從而使得屏蔽體內部的磁場大為減弱??
屏蔽體設計中一般需要選用高導磁材料, 如坡莫合金、非晶態(tài)合金和其它的一些稀土合金。
進行磁場屏蔽時,注意:
可以適當增加屏蔽體的厚度。
被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上, 以盡量減小通過被屏蔽物體體內的磁通。
注意屏蔽體的結構設計, 拼接縫? 通風孔等均可能增加屏蔽體的磁阻, 從而降低屏蔽效果?
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電磁場是電場與磁場交替進行傳播的電磁波,如下圖所示:
電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施?如下圖所示:
其屏蔽過程如下:
當電磁波到達屏蔽體表面時, 由于空氣與金屬的交界面上阻抗不連續(xù),對入射波產(chǎn)生了反射? 這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度, 只要求交界面上阻抗的不連續(xù)。
未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量, 在屏蔽體內向前傳播的過程中, 被屏蔽材料所衰減? 也就是所謂的吸收(也可稱其為渦流損耗)。
在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余能量, 傳到材料的另一表面時,遇到金屬-空氣阻抗不連續(xù)的交界面, 會形成再次反射, 并重新返回屏蔽體內。
在兩個金屬的交界面上可能有多次反射出現(xiàn)?
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電場主要產(chǎn)生于小電流、 大電壓的電路信號,與磁場的傳播可以看成是電路之間的互感而導致的耦合, 它可以看成寄生電容形成的耦合,電場屏蔽就是改變原來的耦合關系, 使干擾源耦合不到敏感設備中去。
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因為輻射發(fā)射測試的主要是電場,故本案例產(chǎn)品所需的屏蔽是電場屏蔽或電磁場屏蔽 。
按照以上的分析,本案例采用金屬屏蔽似乎沒有問題。因為屏蔽殼體已經(jīng)將?PCB及 PCB 上的所有電路都封閉在金屬屏蔽殼之內??
但是, 設計者忽略了一點: 本案例產(chǎn)品在半波暗室里所測到的電磁輻射, 其等效輻射發(fā)射天線并非是產(chǎn)品中的某個器件或 PCB 上的某根印制線, 而是該電源的輸入/ 輸出電纜 (如大于1 m)。
因為只有電纜長度才能與所輻射頻率的波長比擬(前面超標的61.52MHz對應波長為4.87m,130MHz對應波長為2.3m), 因此電纜才是直接產(chǎn)生輻射的 “天線”。
實踐和理論都表明, 只要這種電纜上在輻射發(fā)射測試的頻率范圍內流動著十幾微安的共模電流, 該電纜的輻射發(fā)射就會超過標準規(guī)定的輻射限值??
通過測試,去除 “屏蔽” 外殼后輻射發(fā)射測試反而可以通過, 說明屏蔽外殼的增加, 不但沒有減小輸入/ 輸出電纜上流動的共模電流, 而且還增加了輸入/ 輸出電纜上流動的共模電流。
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為了減少輸入/輸出電纜上流動的共模電流,通??梢圆捎靡韵聝煞N方法:
方法一:用金屬屏蔽殼和屏蔽電纜將 PCB 和所有輸入/輸出電纜屏蔽起來,同時屏蔽電纜屏蔽層,和PCB 的屏蔽外殼良好塔接。
方法二:借助 PCB 上的屏蔽外殼,通過合適的連接降低輸入/輸出電纜上流動的共模電流,以達到降低電纜所產(chǎn)生的輻射發(fā)射的目的。
方法一通常是不可行的,因為對于電源產(chǎn)品, 其輸入/ 輸出電纜一般不采用屏蔽電纜?
因此,只能采用方法二, 這其實也是一種電場屏蔽的方式, 即將 PCB內部產(chǎn)生的電場屏蔽在金屬外殼之內??