结构工程师必须掌握的EMC结构设计常识

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility , EMC） 其定义为“设备和系统在其电磁环境中能正常事情且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。

EMC包含两个方面的意思，首先，设备能够抵抗所接管到的滋扰而正常事情(即EMS)；其次，设备所发射的电磁滋扰不能影响其它设备的正常事情(即EMI)。

生活中的EMC：

飞机上限定利用手机等电子设备，是由于手机等有可能会对机载设备造成电磁滋扰，引起机载设备性能低落或者功能损失，影响飞机翱翔安全。

有时搭客会偷偷利用手机，为什么没有“引起机载设备性能低落或者功能损失”？这是由于飞机的“电磁兼容性”设计有很高的安全裕度。

随着电子电气设备加倍密集的运用，电磁兼容性引起工业制造领域各设备制造商的广泛关注，民用飞机电磁兼容性设计验证更是有着严格的适航哀求。
电磁兼容性设计事情基于一个主要的征象：电子电气设备在正常事情时，既对外部空间发射电磁能量，也随意马虎被外来电磁能量滋扰。

当代民机作为高度集成各种电子设备的精密系统，任何关键设备的正常事情受到影响，后果都将不堪设想。
例如，飞机若想按照事先方案的航路翱翔以确保空域畅通和绝对安全，在翱翔中须要时候与地面塔台保持联系，这有赖导航系统的准确定位，且通信系统能快速清晰传达和吸收信息。

如果电磁兼容事情不到位，同时事情的其他设备所发射的电磁能量经由叠加，可能超过一样平常设备的耐受上限，通过线缆传导或者空间耦合等机理进入通信、导航等系统，轻则降落系统事情性能，重则破坏电路，使系统彻底失落效。

电磁滋扰作为一种可传播的能量，从发射源产生通过耦合路径末了到达受影响设备。
上述三者即电磁兼容三要素。
民机设计师通过“三要素”开展电磁兼容事情。
比如，在设计初期，通过优化“发射源”的设计，使其降落无意泄露的电磁能量；在系统安装集成阶段，通过增加敏感设备之间的隔离间隔，“割断”耦合路径；在系统验证阶段，如果创造了电磁兼容问题，再针对性地为问题设备增加屏蔽层。

在飞机上限定利用手机，便是为了减少“发射源”，降落外来电子设备对机载设备的电磁滋扰，尤其是翱翔起降阶段，飞机与塔台通信频繁，为了不影响导航等机载设备的正常利用，该当只管即便少用手机。

当然，也曾经涌现过手机滋扰飞机翱翔的事情发生。
海内某航空公司的一名机长描述，他就曾碰着过手机滋扰飞机翱翔的情形，当时，飞机低落找跑道时，连方向都找反了。
“太危险了，还好没失事。
”

2. EMC设计

1. EMC设计的内容：

EMC设计可分为：

旗子暗记设计、线路设计、屏蔽、接地、滤波、合理布局

个中与构造关系较大的有：

屏蔽、接地、合理布局

把稳：并不代表其它方法与构造设计完备无关，构造设计亦需合营完成其它方法比如合理布局。

2. EMC设计基本目的：

产品内部的电路相互不产生滋扰，达到预期的功能。
产品产生的电磁滋扰强度低于特定的极限值。
产品对外界的电磁滋扰有一定的抵抗能力

3. EMC设计在产品开拓各阶段的本钱：

在产品设计的早期阶段，办理EMC问题的路子多，将花费较少的本钱；到产品生产后期再采纳办理EMC的技能方法，将受到各种情形的制约。
并且，采取同样的技能方法，在生产后期采取时，将大大增加产品本钱，延长产品开拓周期。

▲EMC设计在产品开拓各阶段的本钱

因此，随着产品开拓向前推进，办理EMC的本钱越来越高。
因此，EMC设计越早进行越好，千万不要等到EMC测试涌现问题了，再去急急忙忙的查找缘故原由、探求办理方案。

4. 传统EMC对策：

产品在进行实际测试的时候，EMC问题实际发生了，开始查找EMC问题，利用的工具：频谱仪和近场探头

此时能够采纳的手段是：屏蔽和滤波

传统EMC对策存在的问题是：

须要考虑设备内部【板间，板内旗子暗记间】EMI问题，不能利用屏蔽/滤波手段；屏蔽和滤波会导致产品设计修正，增加产品本钱和延长产品开拓周期；旗子暗记频率与滋扰频率同等，不能采取滤波；频率提高，布线、屏蔽体、机箱等成为天线；高频旗子暗记耦合到电缆，由电缆发射；产品开拓末了阶段办理EMC问题的唯一办法是：屏蔽和滤波。
但是，用屏蔽能办理所有的EMC问题？屏蔽策略的隐患：机箱及屏蔽材料的变形及破坏，产生电磁泄露这种对策的结果是：有利于通过EMC，但是会恶化内部滋扰，影响设备稳定性，增加抗滋扰的哀求。

5. EMC对策新理念：

▲全面的EMC管理

EMC对策的新理念是进行全面的EMC管理，尽早进行EMC设计：

EMC是一项系统工程：早考虑 ，本钱低，手段多，效率高；须要产品开拓团队协同合营，包括构造设计。
充分利用现有的EMC设计规范和设计指南（专家的履历），当然，在利用的时候须要思考：设计能全部按照设计规则实行吗？所有理论在所有场合都精确吗？合理利用仿真技能，把问题扼杀在抽芽阶段 。
PCB板设计的仿真：Hyperlynx。
电子电路仿真：Pspice、Serenade。
精度与速率，实际问题实际办理。
利用丈量技能，利用一样平常仪器进行比拟测试。
引入电磁场扫描技能，进行EMC预兼容测试。

6. EMC设计的流程：

7. EMC构造设计的履历：

在项目的早期就参与构造设计，由硬件工程师主导硬件系统的构造设计，而不是被动地吸收已有的构造造型，然后千方百计地想办法若何才能在现有的造型根本上只管即便知足性能、EMC等的哀求，要在构造设计中起到主导性的浸染；尽早设计出3D图，针对3D图，组织各方面的职员反复谈论，权衡利弊，就EMC而言，要针对3D图去创造问题，补充问题，这样的互动要进行很多次，直至能得到一个比较满意的结果；屏蔽构造的利用，哪些板卡须要屏蔽、哪些可以不要，未屏蔽的板卡要针对EMC采纳哪些预防方法，PCB本身大概就可以作为EMC的屏蔽体；线材处理，包括内部模块互连线（暴露在屏蔽壳之外）及外部接口线，是否已经在母板、连接板或输出板等位置预留滤波方法。
3.EMC构造设计之屏蔽

1. 什么是屏蔽：

屏蔽是办理电磁兼容问题的主要手段之一。
屏蔽便是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以掌握电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。
详细讲，便是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或全体系统的滋扰源包围起来，防止滋扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将吸收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。

2. 屏蔽设计的基本原则：

屏蔽体构造简洁，尽可能减少不必要的孔洞，尽可能不要增加额外的缝隙；

构造方面影响孔洞屏蔽效能的成分紧张有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔间距以及孔的数量，个中影响最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。
须要把稳的是屏蔽效能只与孔的最大尺寸有关，而与孔的面积并没有直接关系，因此在设计中只管即便开圆孔，其次考虑是开方孔，只管即便避免开长腰孔；透风孔只管即便采取圆孔并阵列排放。
屏蔽和散热有抵牾时尽可能开小孔，多开孔；其余，可以让缝隙或长条形透风孔循着磁场方向分布，这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小；

两个零件结合在一起，结合面的缝隙是影响构造件屏蔽效能的紧张成分。
如果不安装屏蔽材料，构造方面影响缝隙屏蔽效能的成分紧张有：缝隙的最大尺寸、缝隙的深度等。
如果缝隙中安装屏蔽材料，缝隙的屏蔽效能还与屏蔽材料自身的特性有关。
在实际设计中缝隙的最大尺寸与：紧固点的间隔、零件的刚性、 结合面表面的精度等成分有关；

足够重视电缆的处理方法，电缆的处理每每比屏蔽本身还主要；

足够细心，电磁兼容设计必须把稳每一个小环节，稍不把稳就可能功亏一蒉；

屏蔽体的电连续性是影响构造件屏蔽效能最紧张的成分，相对而言，材料本身屏蔽性能的影响是微不足道的（低频磁场例外）；

对付强磁场的屏蔽可采取双层磁屏蔽体的构造。
对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用随意马虎达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。
反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料排列次序要倒过来。
在安装内外两层屏蔽体时，要把稳彼此间的磁绝缘。
当没有接地哀求时，可用绝缘材料做支撑件。
若须要接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。
但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发，一样平常还是要接地的；

提高磁场屏蔽效能的紧张方法有：选用高导磁率的材料（如坡莫合金）以及增加屏蔽体的壁厚；以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻；

被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以只管即便减少通过被屏蔽物体体内的磁通。

3. 机箱（或屏蔽盒）之屏蔽：

前面所述都把电磁屏蔽体算作是一个全封闭的屏蔽体，亦即它在电气上是连续均匀的，没有孔隙的。
但在实际中，这种屏蔽体并不存在，现实中机箱都有空隙，在电气上并不连续，导致其屏蔽效能会降落。

下面是机箱（或屏蔽盒）设计中的一些基本做法：

（1）构造材料

1）适用于底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场，紧张的屏蔽机理是反射而不是接管。

2）对磁场的屏蔽需用铁磁材料，如高导磁率合金和铁。
紧张的屏蔽机理是接管而不是反射。

3）在强电磁场环境中，哀求材料能屏蔽电场和磁场两种身分，因此须要构造上无缺的铁磁材料。
屏蔽效率直接管材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。

4）对付塑料壳体，是在其内壁喷涂屏蔽层，或者利用导电塑料。
必须只管即便减少构造的电气不连续性，以便掌握经底板和机壳进出的泄露辐射。
提高缝隙屏蔽效能的构造方法包括增加缝隙深度，减少缝隙长度，在接合面上加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距等。

（2）对付塑料壳体的表面处理方法

1)

2）可靠性

哀求镀层在利用过程中屏蔽能力基本不降落﹐附着力良好﹐镀层如有脱落﹐不但影响屏蔽性能﹐而且落入仪器内部能造成短路事件。
对可靠性的鉴定是按有关标准进行冷---热循环﹐高温与低温实验后﹐对镀层的导电性和附着力进行考验。

3）脆性

哀求镀层按有关标准进行冲击试验后﹐不应有剥落。

（3）缝隙

在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接，以防电磁能的泄露和辐射，尽可能采取焊接。
若条件受限，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定；在不加导电衬垫时，螺钉间距一样平常应小于最高事情频率的1％波长，至少不大于1/20波长；用螺钉或铆接搭接时，应首先在缝中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的波折；担保紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、振动时保持表面打仗，当须要活动打仗时，利用指形压簧（而不用网状衬垫），并要把稳保持弹性指簧的压力；在接缝不平整的地方，或在可移动的面板等处，必须利用导电衬垫或指形弹簧材料；选择高导电率、弹性好的、硬韧材料做成的衬垫。
选择衬垫时要考虑接合处所利用的频率并担保同衬垫合营的金属表面没有非导电保护层；导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要把稳电化堕落浸染。
纯银填料的橡胶或线形衬垫将涌现最严重的电化堕落。
银镀铝填料的导电胶是盐雾环境下用于铝金属合营表面的最好衬垫材料。

4.常用屏蔽材料

1. 导电布

导电布因此纤维布（一样平常常用聚酯纤维布）为基材，经由前置处理后施以电镀金属镀层使其具有金属特性而成为导电纤维布。
可分为：镀镍导电布，镀金导电布，镀炭导电布，铝箔纤维复合布。
外不雅观上有平纹和网格区分。

2. 导电泡棉(Conductive Foam or Gasket)

导电泡棉衬垫(CF)制成的板料。
方形条。
及用于电脑接口的I/O屏蔽衬垫。
有半（椭）圆形、腰圆形、矩形、方形、C形等。
C形常用于机柜门、插箱门等须要较大压缩量的屏蔽场合。

3. 指型簧片 (Finger Stock)

由分外合金铍青铜制成的指形簧片，能够办理其它衬垫不能在剪切方向受力问题，弹性好，形变范围大，低频段和高频段屏蔽性能上风。
指形簧片有指形、C形等多种截面，适宜于滑动打仗，常用于插箱、插件、机柜、钣金面板的屏蔽。
指形簧片安装构造不良时易破坏，打仗面较少；应安装在一个凹入的或内侧凸缘内，以减少受到机器损伤的可能性。

4. 导电橡胶

导电橡胶是将微细导电粒均匀分布在硅橡胶中的方法制成。
它既保持住橡胶原有水汽密封性能和弹性，同时有高导电性。
导电橡胶有圆形、D形、环形等。
异形用于室外机柜密封，既可防水，也可以屏蔽。
导电橡胶的缺陷：险些无插入损耗，射频性能较差。

5. 点胶 Form-In-Place Elastomer

导电胶是在硅树脂中掺铜镀银颗粒精细而成，具有优秀导电性和粘接强度，通过点胶方法直接成型于机壳上。

6. 屏蔽罩Board Level Shielding

7. 金属编织网：

用铍铜丝、蒙乃尔丝或不锈钢丝编织成管状长条，形状很像屏蔽电缆的屏蔽层。
但它的编织方法与电缆屏蔽层不同，电缆屏蔽层是用多根线编成的，而这种屏蔽衬垫是由一根线织成的。
打个形象的比喻，就像毛衣的袖子一样。
为了增强金属网的弹性，有时在网管内加入橡胶芯

8. 屏蔽透风板：

透风口是电磁滋扰紧张透露部分之一，以前采取在机箱板上开小孔或加金属网的常规方法,其屏蔽性能已不能达到期望水准。
蜂窝式屏蔽透风板的涌现办理了这个问题。
屏蔽透风板紧张运用于电子设备的必要透风开口处，可兼顾 EMI 屏蔽和良好透风的双重浸染。
根据军民用的不同利用场合和不同利用环境，它有不同的材质、镀层和形状，材料包括优质低碳钢、不锈钢、黄铜、铝合金等。

9. 其它屏蔽材料：

导电胶、导电玻璃、导电塑料和磁环等

10. 屏蔽材料的选用原则

选择利用什么屏蔽材料时要考虑四个成分：屏蔽效能哀求、有无环境密封哀求、安装构造哀求和本钱哀求等：

1) 首选导电衬垫和簧片。
缝隙屏蔽一样平常采取导电衬垫和簧片，均可实现正压安装和插入安装两种形式。
分外情形下，例如压铸件和型材，在导电衬垫和簧片不能知足哀求时考虑利用其他类型的屏蔽材料。
虽然缝隙屏蔽效能与实际安装有极大关系，建议导电布衬垫于屏蔽效能最高为 30dB／1GHz 的情形，簧片用于屏蔽效能高于30dB／1GHz 的场合或者活动位置（例如机柜门、拉手条）。

2) 限定利用螺旋管型衬垫。
除拉手条和屏蔽机柜外，避免利用螺旋管型衬垫。

3) 导电橡胶限定用于压铸件或者须要一定环境密封哀求的产品、或者宽频屏蔽须要的产品。
导电橡胶需开槽安装，变形范围小，仅限用在压铸件以及型材之间的缝隙屏蔽。
最高运用频率范围可达 40GHz 以上，屏蔽效能可达 110dB 的水平。

4) 导电布一样平常用于应急或其他分外场合，例如现场问题办理或 EMC 问题定位测试，批量产品不应采取，此办法可靠性较差。

5) 穿孔金属板多用于透风、散热的开孔。
屏蔽效能哀求高于 30dB／1GHz 时，或屏蔽和散热抵牾不可调和时，应采取波导透风板。

6) 导电玻璃多用于显示或不雅观察类窗口，利用时应把稳导电玻璃与构造屏蔽体体的搭接处理。
不同类型的导电玻璃屏蔽效能不同，应根据系统屏蔽效能哀求选择得当的屏蔽玻璃。
一样平常镀膜型玻璃的屏蔽效能较低，金属丝网型的较高（可达 60dB）。

7) 导电漆适用于非金属构造屏蔽体的设计，系统屏蔽效能哀求较高（超过 20dB）时须要结合其他技能手段来实现屏蔽目的。

8）不同的屏蔽材料对环境的适应性是不同的，一样平常来说以橡胶、海绵为内芯的屏蔽材料对环境哀求较高，紧张用于机房环境，而纯金属屏蔽材料对环境适应性比较好，可以利用的环境要多一些；

9）屏蔽材料都是有寿命的，一样平常都哀求屏蔽材料在5-10年内，仍旧能够保持良好的屏蔽性能；

10）屏蔽材料的安装办法优选卡装、开安装槽等直接打仗的形式，其次才考虑采取PSA胶带粘接的办法；

11) 要把稳屏蔽材料与基材之间的相容性，防止发生电化学堕落

12）一个产品中可能是多个屏蔽材料的组合。

11. 屏蔽材料的范例运用

5.资料下载

如果须要理解更多的EMC构造设计知识，请参考下面干系资料，强烈建议学习“EMC构造设计规范和指南”以及“英文资料”里面的文章。

EMC基本知识：

EMC构造设计规范和指南：

EMC设计流程：

EMC英文资料：

EMC屏蔽材料：

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