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使用现成的金属盖子和夹子来屏蔽EMI/RFI

2021/03/17

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使用现成的金属盖子和夹子来屏蔽EMI/RFI

内容导读

今天的电路在强度和频率变化很大的电磁(EM)能量的海洋中游动。因此,电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)——通常被归为电磁兼容性(EMC)主题——是普遍存在的、影响电路性能和正式产品批准的相关因素。尽管这些因素在电子技术发展初期就已经引起了人们的关注,但由于无线连接的广泛应用、更高频率的使用、更灵敏的电路和更低的电压轨,这些问题现在正面临着越来越困难的挑战。

影响电路的干扰源可能是由附近有意或无意的电磁能发射器引起的,也可能是由自然或人为的源引起的。电路本身也可能会发出不需要或不可接受的电磁能量,影响附近的电子设备。


其中最常见的解决方案,以减轻电磁干扰/射频干扰的能源问题是增加屏蔽周围的关键部分的电路板,甚至整个模块。在试验板和原型阶段,这种屏蔽可以临时吸收、衰减并解决问题。但是,这种临时解决方案与制造环境或测试、调试和维修站不兼容。

本文介绍了EMC在PCB、组件和产品方面面临的基本挑战。然后介绍Harwin提供的现成屏蔽解决方案,以及如何利用这些解决方案提高技术效率和生产兼容性。
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EMC问题有两种途径

电干扰能量可以通过传导或辐射从源传输到“被干扰”电路(图1)。在传导情况下,能量通过导线或电缆等导体传播。设计者通常使用铁氧体磁珠、滤波器、扼流圈和其他无源元件来衰减这种能量。如果没有金属导体,在辐射情况下,能量路径是通过空气或真空从设备传到被干扰电路。



图1:多余的电磁能可以通过电缆传导或通过空气或真空辐射进入或离开系统。(图片来源:slideshare.net,EMI/EMC概述“)

有时可以通过在源头或被干扰者处重新放置组件来减少这些不良影响,但这是一个耗时的过程,通常是不切实际、不可能或无效的。类似地,滤波不是一个可行的选择,因为许多有问题的EMI/RFI能量在感兴趣的工作射频(RF)频带内,并且这种滤波也将降低期望信号的强度,从而损害系统性能。

对于某些辐射EMI情况,有时使用一种称为“扩频”的技术来降低工作频率处的EMI峰值发射。在这种方法中,电路的时钟围绕其标称频率随机“抖动”,作为跳频的一种形式。这会将射频能量分散到整个频谱上,但不会减少发射的总能量(图2)。




图2:调制时钟会扩展射频频谱,因此会降低峰值能量,但不会降低不需要的电磁能量的总量;对某些应用而言,峰值的衰减可能是一个足够的改进。(图片来源:Digi Key Electronics)

扩频方法被一些设计者认为是一种“欺骗”,因为它主要是为了满足发射限制,而其他人则认为它是一种简单而优雅的解决方案。它主要适用于固定工作频率不重要的DC-DC开关稳压器;但扩频跳频不适用于载波和工作频率稳定性非常重要的许多情况。

被动屏蔽:通常是答案

在大多数电磁兼容情况下,破坏性的能量电路超出了设计者的控制范围,但必须在源头或被干扰处减少。处理辐射EMI/RFI的一个有效且广泛使用的解决方案是根据情况在违规能源或被干扰者周围添加接地金属屏蔽。这带来了两个工程问题:

PCB的哪个区域需要屏蔽?
如何在生产环境中实施这种屏蔽,以尽量减少上市时间、成本和对生产的影响?

在许多情况下,需要屏蔽的一个或多个区域是明显的,例如射频收发器部分;在另一些情况下,要找到电路中发射过多EMI/RFI或易受其影响的部分,需要付出多方面的努力。为了找到这些区域,设计师们通常会建造一个小型的,电磁干扰紧密的导电盒来封闭和屏蔽被调查的区域。根据产品和设计的不同,这个盒子可能需要小到指甲或者大到足以容纳整个PCB。


对于较小的射频外壳,可以使用折叠到盒子中的薄铜片,接缝可以焊接,也可以用带有导电粘合剂的铜带覆盖。对于中型和大型机箱,可以将包层PCB的废料切割成建造机箱所需的尺寸,所有接缝都用胶带或焊料固定(图3)。在某些情况下,接缝首先在一些地方进行“点焊”,以保持基本的稳定性,然后用导电胶带覆盖。




图3:小PCB周围的屏蔽层(去掉盖子)是由带有焊接接缝的小块非匹配复合板构成的。(图片来源:QRP HomeBuilder

然后将盒子放在被评估的电路板区域上,并将开口底部和PCB之间的缝线焊接到低阻抗射频接地上。在实践中,这实际上可能比看起来更具挑战性,因为PCB通常还没有与所构造的屏蔽盖的周长相对应的接地迹线。虽然几个连接点可能就足够了,但更连续的接地接缝意味着射频泄漏进出屏蔽盖的路径更少。


这种焊接方法还有另一个问题。由于许多PCB的轨道很薄,焊接或从板上脱焊测试盖可能会损坏精致的轨道并损坏板。因此,在建造和安装屏蔽之前,最好使用射频探头和监听器对情况进行一些测量。

一种更好的原型屏蔽方法

用铜箔或覆铜板制作屏蔽罐确实可行,但这是一个耗时的过程。此外,它还需要处理FR-4基板(如果使用PCB),如果没有正确的设置,很难切割,除非戴上手套,否则会在用户手指上留下难看的玻璃纤维“碎片”。即使使用裸铜板也有问题,因为如果处理不小心,它可能会割伤手指,并且可能需要使用小型折弯制动器来实现适当的90°折边和拐角。一开始看起来像是一个简单的DIY方法来建立一个屏蔽测试箱并不像它看起来那么快和容易,虽然它肯定是可行的。


幸运的是,有一个更好的解决方案使用HarwinS01-806005KIT射频干扰屏蔽套件。该套件配有两个刻有5毫米(mm)方格网的屏蔽罐板、24个RFI屏蔽夹和易于遵循的说明。要做一个基本的折叠盒,只需画一个所需盒尺寸的简单图表,切掉不需要的板材,然后用金属尺作为向导和非正式的折弯制动器将剩余的材料折叠在蚀刻线上(图4)



图4:使用Harwin S01-806005KIT RFI屏蔽罐套件,用户可以使用提供的带有5毫米蚀刻网格图案的金属板轻松构建定制尺寸的屏蔽罐。(图片来源:Harwin)


现在,只需将盖嵌入提供的S1711-46R中,即可将其连接到电路板上射频屏蔽夹,可以回流焊,甚至手工焊接到电路板上(图5)。这是一个比尝试将盖直接焊接到电路板要好得多的方法,并且它还允许在测试、测量、评估和调试“屏蔽”电路时根据需要轻松地拆除罐。



图5:所提供的S1711-46R射频屏蔽夹焊接到PCB上,然后使用S01-806005KIT射频屏蔽罐套件可以轻松地将任何射频屏蔽夹夹到PCB上。(图片来源:Harwin)

原型不生产

虽然DIY罐或Harwin屏蔽盖套件可以指向EMC解决方案,但它们与大批量甚至小批量生产并不兼容。很明显,用PCB“废料”或折叠铜板构建大量的外壳需要额外的生产步骤和时间,而且是要放在物料清单(BOM)上的非标准项目。即使这是可以接受的,通过沿着外壳和电路板之间的接缝焊接将这些连接到PCB电路板也是一种手动操作,这与其他组件的标准回流焊接不同;也很有可能损坏电路板,并且为了测试或维修而取下它们是不切实际的。


同样,有一个更好的方法来解决这个问题,使用Harwin的预制射频屏蔽罐匹配的安装夹。这些高射频传导性的无镀层镍银矩形盖有多种尺寸和高度可供选择,S03-10100300R 的尺寸10 mm x 10 mm x 3 mm高(0.394 x 0.394 x 0.12英寸),材料厚度为0.15 mm图6)。更大的盖子,如S01-50250500 尺寸为25 mm x 50 mm x 5 mm高(约1 x 2 x 0.20英寸),厚度为0.3 mm




图6: Harwin S03-10100300R屏蔽可以测量10毫米x 10毫米x 3毫米高(0.394 x 0.394 x 0.12英寸),非常适合今天的小型射频电路。(图片来源:Harwin)

这些屏蔽盖只能解决部分生产的要求。因此,Harwin提供了各种各样的剪切,可以自动放置,并且可以重新焊接到PCB上(图7)。然后将盖卡入并松开卡夹,以便于进入部件进行清洁或返工。不同的剪切适应不同的板面情况下的布局,方向,进入和干扰相邻的PCB走线和面积,以及屏蔽盖的材料厚度。


图7:补充安装盖夹,完成屏蔽和安装解决方案,可在不同的风格和大小对应的盖厚度,并在各种配置,以满足不同的PCB的需要。(图片来源:Harwin)

提供低至0.8毫米(0.031英寸)的微型夹,以及设计用于解决局部涡流干扰的90°角夹。屏蔽夹与现成或定制罐兼容,薄至0.13 mm,厚至1.00 mm。

考虑射频衰减、冷却

围绕在电路元件周围的固体表面金属盖有一个基本事实:它们可以阻止元件表面的冷却对流气流。这似乎排除了屏蔽盖在许多应用中的可能性,但事实并非如此。原因是盖子的金属很薄,根据具体的盖子型号和尺寸从0.15毫米0.3毫米等。这种薄性对通过从盖子内到盖子外的传导的热流只有很小的阻碍。一旦热量传导到外表面,就可以通过自由或强制空气对流或其他方式带走。

在这方面,薄金属盖的热性能远远优于普FR-4 PCB材料制成的屏蔽外壳,后者具有更高的热阻抗屏障,导电率在1到3瓦/米开尔文(W/m-K)之间,标准厚度为1.6毫米。将这个数字与镍银的导电率相比,镍银的导电率大约高出1000倍,而且薄得多(同样,只有0.150.3毫米)。基本的热模型可以量化薄金属盖对冷却的影响。此外,在几乎所有情况下,遵循标准技术使用具有高导热性的底层PCB铜来带走安装组件中的大量热量也是一种良好的做法。


一个明显的解决办法,以改善热对流屏蔽盖是在盖子表面开孔。然而,这又增加了一系列新的问题。孔必须足够小,间隔足够远,以防射频泄漏。由于最大允许直径和间距是波长的函数,一个典型的一级准则是,任何开口不得超过被屏蔽的最短波长的十分之一。


然而,决定临界波长和孔的尺寸并不总是容易或明显的,因为有问题的RF的能量可能处于高于产品的标定的工作频率或载波频率的频率处(因此在更短的波长上)。考虑到一个有问题的千兆赫兹频率信号可以过载和饱和附近的兆赫频率前端放大器。因此,允许的最大孔尺寸必须比通过对产品工作频率进行简单的首次通过分析所决定的尺寸小得多。


请记住,除了确保电路性能外,屏蔽盖和夹子的另一个目标可能是在较宽的频率范围内提供射频衰减,以满足产品的法规要求。这些与EMC相关的法规标准定义了产品在射频频谱的各个区域内可以产生的最大射频干扰/电磁干扰,以及产品作为电磁干扰/射频干扰受害者所被允许的敏感度,而与额定工作频率无关。


因此,屏蔽必须做的不仅仅是确保在额定的工作频率下的性能,而是还必须在更宽的电磁频谱上提供衰减。使用仅为额定工作频率设计的冷却孔可以减少在这些较短波长下实现的衰减,并可能通过安规部门的批准。

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总 结

电磁兼容性和RFI / EMI问题几乎影响了所有电子产品和应用,并且无线链接的使用日益频繁以及频率越来越高,这使设计情况更具挑战性。 


解决由于辐射EMI / RFI导致的许多问题的方法,通常相关到基本的RF屏蔽, 用金属盖子完全包围受影响的电路。


这些盖子可作为各种尺寸的标准件提供,并可选择PCB夹在各种配置中,可以很容易地安装或从电路板上拆卸盖子。这些夹子也完全兼容用在批量生产环境中SMT封装组件插入和焊接的设备。

版权申明

本文源自digikey.com在2020年11月4日的发文,并且已获得Digi-Key的正式授权进行重新编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他编写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、观点专栏和产品特性。在过去的工作中,他曾担任《EE时报》多个专题网站的技术网站经理,以及EDN的执行编辑和模拟编辑。

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