静噪元件/EMI静噪滤波器

第4章

空间传导及其应对措施

4-4. 噪声屏蔽

第4-2-1节讲述了屏蔽用于阻挡空间噪声传导。许多情况下此屏蔽用作电磁屏蔽。本节讲述了电磁屏蔽的通用特征,还阐释了有效使用电磁屏蔽须谨记的几个要点。

4-4-1. 屏蔽结构

(1) 电子设备屏蔽

电子设备所用的屏蔽要如下图所示遮盖住机身,电路板或电缆。本节着重于噪声穿过这些屏蔽的部分(如图所示),还讲述了电磁屏蔽主要根据材料特征来阻挡无线电波的效果。
这些屏蔽不仅用于向外排放的噪声,还用于从外部进入电路的噪声。类似于天线的情形,因为这两个效果是相同的,所以本节将着重于噪声排放。

Example of shield configuration for electronic devices

图4-4-1 电子设备的屏蔽结构示例

(2) 屏蔽效果细分

如图4-4-1所示,用屏蔽限制噪声的效果一般可使用夏克诺夫的公式来阐释。
如图4-2-2所示,考虑了无线电波从左侧撞击屏蔽后的屏蔽效果以及右侧向外泄露的屏蔽效果。这里我们假定右侧向外泄露的无线电波要比左侧撞击屏蔽的无线电波弱SE(dB)。如下所示,夏克诺夫的公式通过对三项求和来表示屏蔽效果SE。

Formula4-4-1
(公式 4-4-1)
  1. R表面反射造成的无线电波损耗(反射损耗)
  2. A屏蔽内部衰减造成的无线电波损耗(衰减损耗)
  3. B前后端之间多重反射的效果(多重反射效果)

Shielding effect

图4-4-2 屏蔽效果

这里忽略其中的多重反射效果B,因为只要不是A的吸收损耗非常小这一特殊情况(如非常薄的金属箔等),多重反射的影响就很小,可以无视。
尽管夏克诺夫的公式是近似公式,但实际上已经足够准确且被广泛使用,因为这个公式有助于理解屏蔽效果。有关详细信息,请参阅技术资料[参考文献 3]。本节将在这个公式的基础上进一步讲述常规的屏蔽特性。

4-4-2. 屏蔽特性

(1) 用非常薄的金属板就可达到大约100dB的屏蔽效果

图4-4-3展示了铜板的情形,并以此作为用夏克诺夫公式计算结果的一个示例。

Shielding effect of copper plate

图4-4-3 铜板的屏蔽效果

图4-4-3(a)表示了厚度为0.1mm时的频率特征。红线指示的屏蔽效果SE在从0.1MHz到1000MHz的整个频率范围内达到100dB或更高。如果是常规电子设备的噪声抑制,100dB则被认为是达到了足够大的效果。
图4-4-3(b)展示了通过在固定频率10MHz上改变厚度得出的计算结果。即使是厚度只有10µm的超薄铜板也具有明显的屏蔽效果。下文阐释细分的屏蔽效果。

(2) 反射损耗

图4-4-3中的蓝线表示了反射损耗R。从图中可以理解为铜只从反射损耗就能达到接近100dB的效果。
如图4-4-4所示无线电波从左到右发射无线电波时,由于空间的固有阻抗和屏蔽材料的固有阻抗之间的阻抗匹配非常差,就会出现反射损耗。空间的固有阻抗为377Ω,而10MHz时铜板的固有阻抗只有1.17MΩ。实际差距达到了32万倍。因此无线电波的能量几乎不能进入铜板。
此处的固有阻抗代表了无线电波在特定材料内以平面波形传输的特性,还指示了与传输线路的特征阻抗等效的数值。这表示电场与磁场的比率,这个值由介电常数ε,磁导率µ,电导率σ和频率ƒ等决定。
通常因为金属的导电率非常高,所以金属的固有阻抗非常小。
尽管图4-4-3展示了铜的情形,但铁的导电率只比铜低一个数量级,而磁导率要高1000倍。因此铁的反射损耗会更小。但铁在10MHz时依然具有接近60dB的反射损耗。因此大多数金属材料均视为能够达到不造成实际问题的反射损耗。无论厚度多少,都可以达到这个反射损耗。(如果厚度很薄,需要修正多重反射效果)
因为反射是导电率造成的,所以这也意味着可以在电阻高的截面(如果有)上降低屏蔽效果。例如如果屏蔽板内有一个接合点,连接面的任何电阻均会明显降低屏蔽的效果。为了确保连接面的传导,可以使用导电垫圈等。

Reflection of radio wave at the surface of shielding plate

图4-4-4 屏蔽板表面的无线电波的反射

(3) 衰减损耗

图4-4-3中的绿线表示了衰减损耗。这个损耗会随着频率和/或材料厚度增加而明显变大。因此在诸如图4-4-3(a)所示的情形下,衰减损耗会在100MHz或更高频率范围内超过反射损耗,总共达到200dB或更高的屏蔽效果。

Attenuation of radio wave inside the shielding plate

图4-4-5 屏蔽板内无线电波的衰减

衰减损耗是由通常称为集肤效应的特性而造成的无线电波衰减。当无线电波进入金属时,无线电波会在距离表面的集肤深度δ处以0.37的系数特征进行衰减。因此如果屏蔽板厚度大于集肤深度,就可以预期有明显的衰减效果。
当使用相同厚度的屏蔽材料时,集肤深度更薄的材料被认为会有更佳的衰减损耗。图4-4-6展示了常规屏蔽材料(铜,铝和铁)的集肤深度的计算结果。频率越高,集肤深度就越浅,且因此可以获得衰减损耗。在10MHz处,预计可以从厚度不小于20µm的铜和厚度不小于2µm的铁获得衰减损耗。
集肤深度也会因材料的磁导率µ和导电率σ而有所差异。导电性或磁导率越高,集肤深度越浅。尽管图4-4-6表明了铁的导电率要比铜的低,但由于铁的磁导率很大,铁的集肤深度要比铜低一个数量级。因此这可以理解为即使铁的反射损耗小于铜的反射损耗,铁这种材料也会具有较大的衰减损耗。(因为图4-4-6假定了铁的相对磁导率是1000而进行计算的,所以不是很准确)

Skin depth of metal plate
图4-4-6 金属板的集肤深度

(4) 影响屏蔽效果的材料参数

当如上所述使用金属板时,通过以下方式可以获得更大的屏蔽效果:

  1. (i)使用更厚的屏蔽材料(衰减损耗增大)
  2. (ii)提高导电率(衰减损耗和反射损耗同时增大)
  3. (iii)提高磁导率(衰减损耗增大)

通常只要是金属板,实际上任何材料或厚度均可以发挥出足够的屏蔽效果。但是如果如下所述在环形天线的附近处理不高于100kHz的频率范围,那么材料和厚度就会很重要。

4-4-3. 低频磁场的屏蔽

如图4-4-6所示的计算结果,集肤深度会随着频率下降而增大。因此当使用厚度大约0.1mm的薄金属板时,预计会在不高于1MHz的范围内从铜或铝中以及在不高于10kHz的范围内从铁中获得较大的衰减损耗。用衰减损耗屏蔽这种低频噪声需要很厚的材料。
如上一节所述,我们假定即使没有衰减损耗,正常情况下反射损耗预计能够获得足够好的屏蔽效果。但前提是材料的固有阻抗远小于空间的固有阻抗。
实际上,当屏蔽材料位于噪声天线附近时,波阻抗(电场与磁场的比率)不同于空间的固有阻抗(377Ω)。有关天线附近的波阻抗,请参阅第4-4-2节。位于天线附近的屏蔽材料的反射损耗会因这个波阻抗而有所差异。
特别是在图4-4-7的情形下,环形天线附件的磁场较强,使得波阻抗一直小于377Ω。因此降低了与屏蔽材料的固有阻抗的阻抗不匹配,从而降低了反射损耗。因此需要增大衰减损耗来补偿降低量。但是因为低频范围内的集肤深度增大,所以需要使用比较厚的材料。
出于上述原因,难以使用铜等良导体,来屏蔽环形天线附近的低频噪声。这种情况下,铁板(更浅的集肤深度)比铜板更合适。此外,除了电磁屏蔽,可能还需要其他磁屏蔽技术。

Difficult to shield low frequency magnetic field
图4-4-7 难以屏蔽低频磁场

4-4-4. 连接屏蔽罩

如上所述,材料的屏蔽效果可以用夏克诺夫的公式来估算。但是将这个公式应用到实际的电子设备时,通常无法获得此处所述的效果。主要原因是任何连接面或开孔均可能成为障碍,使材料无法发挥出足够的性能。本节讲述了连接屏蔽罩时要谨记的几个要点。

(1) 当装配屏蔽罩时

如上所述,金属板的屏蔽效果主要是因导电率产生的。换言之,重要的是电流易于流过屏蔽表面。如果屏蔽表面有开孔或间隙,电流难以流动,从而使屏蔽效果受损。
如图4-4-8所示,应该牢牢地连接屏蔽罩的连接面。使用导电垫圈等无缝连接屏蔽表面,可保持良好的屏蔽。如果仅使用螺丝或接触点进行连接,应缩小螺丝或接触点之间的间隔(大约1/20的波长)。
如果如图4-4-9所示屏蔽罩内依然有间隙,需要意识到可能会发射无线电波,尤其是在让间隙长度形成1/2波长的频率上。(例如,如果是12cm的CD狭槽,将大约是1.2GHz)。

Connection of shielding case
图4-4-8 连接屏蔽罩

Effect of a slit opening

图4-4-9 狭缝的效果

(2) 除了无线电波屏蔽之外的因素

如果由于屏蔽中的开孔、整个物体的外壳不完整或导线伸出屏蔽罩而使得屏蔽中断,屏蔽罩本身就会成为天线并发射无线电波。这种情形下,可以说共模噪声已经被传导到屏蔽上。
这种现象不同于图4-4-9所示的开孔用作天线的问题。而是如图4-4-10(a)所示整个屏蔽罩和整个系统用作天线。这样一来天线尺寸变大,发射的噪声频率将比从开孔尺寸估算的频率更低。
如图4-4-10(a)所述由浮动静电容量等驱动,因此能量不是很强。但需要完整屏蔽时,应意识到这个可能性。
如图4-4-10(b)所述,为了防止出现这种情形,需要:

  1. (i)导线伸出时插入滤波器
  2. (ii)开孔是产生问题的原因时减小尺寸,或保持内部噪声源远离此开孔
  3. (iii)整个物体还未封闭时提高封闭性。

这些方法也对接地增强有效。

Improvement for sections with broken shield

图4-4-10 改善屏蔽断开部分

4-4-5. 连接屏蔽电缆

(1) 屏蔽电缆接地

尽管可以说屏蔽罩的主要功能是“限制内部噪声”,但屏蔽电缆的屏蔽部分也可以用作电流的路径。因此,需要特别注意屏蔽接地的部分。
例如如图4-4-11所示的同轴电缆是作为电流路径的屏蔽部分。众所周知,同轴电缆可用作屏蔽的电缆。也是理想的传输线路。外导线(外护套)是信号电流的回路。
在屏蔽接地方面,相同的概念也适用于同轴电缆之外的通用屏蔽电缆。尽管在某些情况下可以清楚地分隔开电流和屏蔽的回路,但通用概念也适用于常规电子设备的噪声抑制。
因此本节阐释了与同轴电缆有关的屏蔽连接示例。

Coaxial cable

图4-4-11 同轴电缆

若要通过同轴电缆发射信号,如图4-4-11(b)所示外护套应该连接到电路的地线。因此流过内部导体的电流产生的电磁场与流过外部导体的电流相抵消,从而消除了从电缆发射的噪声。
对于通用的屏蔽电缆,屏蔽电缆应该连接到两端的地线。但是对于静电屏蔽,有些情况只可以连接屏蔽电缆的一端。

(2) 连接到屏蔽罩

我们应该如何将这个电缆的屏蔽连接到屏蔽罩?图4-4-12展示了两个屏蔽罩彼此互连的示意图。
如图4-4-12所示,为了获得完整的屏蔽连接,屏蔽电缆的外护套的整个圆周需要连接到屏蔽罩。为此,经常会使用屏蔽连接器。
如果两个屏蔽罩均已经单独接地,可能会引起接地回路,或可能无法符合如图4-4-12所示的单点接地原则。这些事实违背了用于消除相对低频范围内的噪声干扰的常规设计策略。换言之,让屏蔽消除噪声排放实际上可能会增加低频噪声。
如上所述,噪声抑制与接地连接的状态存在权衡关系,而且根据具体情况依然可能有无法处理的一部分残留。(例如,如果图4-4-12中的一侧断开地线连接,就能解决以上问题,同时可能会增加电气化的风险,或可能会折损静电电荷的敏感性)

Connection to shielding case
图4-4-12 连接到屏蔽罩

(3) 连接到电路板

尽管存在如上所述的问题,屏蔽电缆的地线通常会牢牢地连接到如图4-4-12所示两端的屏蔽罩,然后连接到电路的地线。这样可以:

  1. (i)对于噪声,提供与噪声屏蔽罩一体化的屏蔽结构。
  2. (ii)为信号提供正确的电流反馈电路。

图4-4-13展示了与同轴电缆有关的连接电路板的示例。
图4-4-13(a)展示了将导线连接到电路板的情形。电缆的屏蔽外护套通过同轴连接器连接到屏蔽罩。这就可以生成正确的屏蔽结构。
图4-4-13(b)表明了同轴连接器和电路板之间的间隙也通过短同轴电缆来连接。这种情况下,可以形成更好的信号传输电路。请注意,也应该在电路板侧连接同轴电缆的接地。

Ground of shielded cable

图4-4-13 屏蔽电缆接地

4-4-6. 不合适的屏蔽示例

(1) 软辫

将屏蔽电缆不正确的接地作为一个例子,存在一个名为软辫的结构。这种连线方法是将屏蔽外护套接地,将其捆扎为如图4-4-14(a)所示的导线。这样做易于进行连接。但是捆扎的部分会产生阻抗,并削弱屏蔽效果。
图4-4-14(b)展示了连接到屏蔽罩的软辫示例。这种情况下,连接目标适合屏蔽噪声。但屏蔽效果会因软辫而受损。此外,信号电流没有回路(插图显示了电流通过相对较远的屏蔽罩的地线形成回路)。这种情况下,噪声可能会通过信号电流被传导到接地,从而屏蔽电缆可作为这种噪声的天线。
图4-4-14(c)展示了连接到电路接地侧的软辫示例。这种情况下的信号电流回路是合适的。但是屏蔽罩和屏蔽电缆的地线已经互相隔开。因此屏蔽效果明显受损。

Example of inappropriate ground
图4-4-14 不适当的接地示例

(2) 如何改善软辫

实际上,没有屏蔽罩时或由于单点接地原理而无法连接到屏蔽罩时,必须作为通用方法进行如图4-4-14(c)所示的连接。尽管不建议在需要大量消除噪声的情形下进行此连接,但图4-4-15展示了一种方法可改善此情形。
图4-4-15(a)是大幅屏蔽信号的情形。连接电路板和同轴电缆要使用专用的连接器。如果这个电路板的接地稳定,电缆屏蔽的功能会相对有效。
为了稳定电路板的接地,应该在如图所示的电缆(可能是最近的距离)基础上将电路地线连接到屏蔽罩(如果有)。如果由于单点接地的设计策略而无法连接,则应该如图所示通过一个电容器进行连接。
图4-4-15(b)是用EMI静噪滤波器抑制噪声的示例。因为屏蔽已经在屏蔽电缆的外露部分断开,所以在这个位置安装滤波器来阻挡噪声进出。尽管图中显示了一根同轴电缆,但如果是差分信号,这个部分会使用共模扼流线圈。

Example of improving the ground

图4-4-15 改善接地的示例

(3) 屏蔽断开

如果屏蔽电缆的屏蔽外护套破裂,会造成什么影响?如果如图4-4-16(a)所示在圆周方向中有一个裂缝,而且这个裂缝还穿过了整个圆周,那么即使缝隙很小,影响也会很严重。这是因为沿着长度方向流动的屏蔽电流受到了干扰。即使只有一个裂缝,整根电缆的屏蔽效果也会受损。
如果如图4-4-16(b)所示的纵向有一个裂缝,就不会干扰屏蔽电流,造成的影响相对较小。

Example of fissure in shielded cable
图4-4-16 屏蔽电缆中的裂缝示例

Up


“4-4. 噪声屏蔽” 的重点内容

  • 屏蔽效果是通过反射损耗和衰减损耗产生的
  • 大多数情况下用薄金属板就能达到足够的屏蔽效果
  • 屏蔽电缆的屏蔽层应该沿着圆周方向连接到屏蔽罩