EMC測(cè)試案例：金屬外殼為何導(dǎo)致輻射發(fā)射失??？

前面我們介紹過《EMC案例分析——開關(guān)電源中變壓器初、次級(jí)線圈之間的屏蔽層對(duì)產(chǎn)品EMI的影響》，文中介紹開關(guān)電源內(nèi)部變壓器該如何做屏蔽，本文也是和開關(guān)電源有關(guān)，只是和開關(guān)電路本身沒有關(guān)系，主要介紹開關(guān)電源的外殼該如何配置以及配置不當(dāng)對(duì)輻射發(fā)射的影響。

由于文章比較長(zhǎng)，本次案例分兩篇來闡述。

Part 1

現(xiàn)象描述

如下圖所示，一個(gè)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(cè)試時(shí)有如下現(xiàn)象：

在進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)不能通過。其測(cè)試頻譜圖如下：

去除電源的金屬 “ 屏蔽”外殼后, 測(cè)試反而能通過?其測(cè)試頻譜圖如下所示：

從測(cè)試頻譜圖可以看出, 采用金屬 “屏蔽” 外殼時(shí)的輻射發(fā)射水平遠(yuǎn)高于不用金屬外殼時(shí)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(chǎng)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?yàn)樵摪咐菄@屏蔽與否對(duì)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(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間用金屬進(jìn)行隔離, 以控制電場(chǎng)? 磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來, 防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散，這個(gè)屬于EMI電場(chǎng)干擾的范疇，即降低對(duì)外界的干擾;

用屏蔽體將接收電路? 設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來, 防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響，這個(gè)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(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)或處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，由導(dǎo)體內(nèi)的感生電流導(dǎo)致的能量損耗，在導(dǎo)體內(nèi)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(gè)在后面會(huì)有詳細(xì)介紹。

抵消能量：電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng), 可抵消部分干擾電磁波。

實(shí)際上， 屏蔽按屏蔽機(jī)理可分為磁場(chǎng)屏蔽、 電磁場(chǎng)屏蔽和電場(chǎng)屏蔽。

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磁場(chǎng)主要產(chǎn)生于大電流? 小電壓的電路信號(hào), 其方向可以用右手定則來判斷。

磁場(chǎng)的傳播可以看成是電路之間的互感而導(dǎo)致的耦合, 磁場(chǎng)屏蔽主要是依靠具有低磁阻的高導(dǎo)磁材料對(duì)磁通進(jìn)行分路,從而使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大為減弱??

屏蔽體設(shè)計(jì)中一般需要選用高導(dǎo)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(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽時(shí)，注意：

可以適當(dāng)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(nèi)的磁通。

注意屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 拼接縫? 通風(fēng)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(chǎng)是電場(chǎng)與磁場(chǎng)交替進(jìn)行傳播的電磁波,如下圖所示：

電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施?如下圖所示：

其屏蔽過程如下：

當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí), 由于空氣與金屬的交界面上阻抗不連續(xù),對(duì)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(jìn)入屏蔽體的能量, 在屏蔽體內(nèi)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(nèi)尚未衰減掉的剩余能量, 傳到材料的另一表面時(shí),遇到金屬-空氣阻抗不連續(xù)的交界面, 會(huì)形成再次反射, 并重新返回屏蔽體內(nèi)。

在兩個(gè)金屬的交界面上可能有多次反射出現(xiàn)?

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電場(chǎng)主要產(chǎn)生于小電流、 大電壓的電路信號(hào)，與磁場(chǎng)的傳播可以看成是電路之間的互感而導(dǎo)致的耦合， 它可以看成寄生電容形成的耦合，電場(chǎng)屏蔽就是改變?cè)瓉淼鸟詈详P(guān)系， 使干擾源耦合不到敏感設(shè)備中去。

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因?yàn)檩椛浒l(fā)射測(cè)試的主要是電場(chǎng)，故本案例產(chǎn)品所需的屏蔽是電場(chǎng)屏蔽或電磁場(chǎng)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?yàn)槠帘螝んw已經(jīng)將 PCB及 PCB 上的所有電路都封閉在金屬屏蔽殼之內(nèi)??

但是, 設(shè)計(jì)者忽略了一點(diǎn): 本案例產(chǎn)品在半波暗室里所測(cè)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(gè)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?yàn)橹挥须娎|長(zhǎng)度才能與所輻射頻率的波長(zhǎng)比擬（前面超標(biāo)的61.52MHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為4.87m，130MHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為2.3m）, 因此電纜才是直接產(chǎn)生輻射的 “天線”。

實(shí)踐和理論都表明, 只要這種電纜上在輻射發(fā)射測(cè)試的頻率范圍內(nèi)流動(dòng)著十幾微安的共模電流, 該電纜的輻射發(fā)射就會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射限值??

通過測(cè)試，去除 “屏蔽” 外殼后輻射發(fā)射測(cè)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(dòng)的共模電流, 而且還增加了輸入/ 輸出電纜上流動(dòng)的共模電流。

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為了減少輸入/輸出電纜上流動(dòng)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(shí)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(dòng)的共模電流，以達(dá)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?yàn)閷?duì)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(shí)也是一種電場(chǎng)屏蔽的方式, 即將 PCB內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)屏蔽在金屬外殼之內(nèi)??

審核編輯：黃飛