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正确选择和使用电磁兼容性元器件

在复杂的电磁环境中,每台电子、电气产品除了本身要能抗住一定的外来电磁干扰正常工作以外,还不能产生对该电磁环境中的其它电子、电气产品所不能承受的电磁干扰。或者说,既要满足有关标准规定的电磁敏感度极限值要求,又要满足其电磁发射极限值要求,这就是电子、电气  ---查看全文 >>

关键字:电磁兼容性 元器件 

正确选择和使用电磁兼容性元器件

在复杂的电磁环境中,每台电子、电气产品除了本身要能抗住一定的外来电磁干扰正常工作以外,还不能产生对该电磁环境中的其它电子、电气产品所不能承受的电磁干扰。或者说,既要满足有关标准规定的电磁敏感度极限值要求,又要满足其电磁发射极限值要求,这就是电子、电气产品电磁兼容性应当解决的问题,也是电子、电气产品通过电磁兼容性认证的必要条件。

模拟与逻辑有源器件的选用
 

电磁兼容性元器件
电磁兼容性元器件


电磁干扰发射和电磁敏感度的关键是模拟与逻辑有源器件的选用。必须注意有源器件固有的敏感特性和电磁发射特性。

有源器件可分为调谐器件和基本频带器件。调谐器件起带通元件作用,其频率特性包括:中心频率、带宽、选择性和带外乱真响应;基本领带器件起低通元件作用,其频率特性包括:截止频率、通带特性、带外抑制特性和乱真响应。此外还有输入阻抗特性和输入端的平衡不平衡特性等。

模拟器件的敏感度特性取决于灵敏度和带宽,而灵敏度以器件的固有噪声为基础。

逻辑器件的敏感度特性取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。

有源器件有两种电磁发射源:传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输,并随频率增加而增加;辐射干扰通过器件本身或通过互连线进行辐射,并随频率的平方而增加。瞬态地电流是传导干扰和辐射干扰的初始源,减少瞬态地电流必须减小接地阻抗和使用去耦电容。

逻辑器件的翻转时间越短,所占频谱越宽。为此,应当在保证实现功能的前提下,尽可能增加信号的上升/下降时间。

数字电路是一种最常见的宽带干扰源,其电磁发射可分为差模和共模两种形式。

为了减少发射,应尽可能降低频率和信号电平;为了控制差模辐射,必须将印制电路板上的信号线、电源线和它们的回线紧靠在一起,减小回路面积;为了控制共模辐射,可以使用栅网地线或接地平面,也可使用共模扼流圈。同时,选择“干净地”作为接地点也是十分重要的。

表面安装技术(SMT)70年代末发展起来的新型电子装联技术,内容包括表面安装器件(SMD)、表面安装元件(SMC)、表面安装印制电路板(SMB)以及表面安装设备、在线测试等。

电子整机应用SMT最多的是计算机,其次是通讯、军用、消费类电子产品。

90年代SMT发展了一种新型电路基板,可用来制作多芯片组件MCM。目前片式集成电路的输入/输出端口已增加到上百个,引脚的中心间距已减小到03毫米。目前表面安装技术正在和微组装技术互相交错和渗透。由于SMDSMC的超小型化,使基板焊区尺寸减小到I平方英寸以内,无论电磁发射还是电磁敏感度问题,都可以得到很好的解决。

电磁屏蔽材料的选用

具有较高导电、导磁特性的材料可以用作屏蔽材料。常用的有钢板、铝板、铝箔、铜板、铜箔等。也可以在塑料机箱上喷涂镍漆或铜漆的方法实现屏蔽。

屏蔽机箱的屏蔽效能除了与所选屏蔽材料的导电率、导磁率和厚度有关外,在很大程度上还依赖于机箱的结构,即其导电连续性。任何实用的屏蔽机箱上都有缝隙,这些缝隙是由于屏蔽板之间临时性搭接所造成的。由于缝隙的导电不连续性,在缝隙处会产生电磁泄漏。因此,对于永久性搭接,可以使用焊接的方法消除缝隙。如果使用铆接或螺钉连接,间距必须足够小。对于非永久性搭接,采用电磁密封衬垫等屏蔽材料则是十分有效的手段。

1.电磁密封衬垫
电磁密封衬垫是一中弹性好、导电性高的材料。将这种材料填充在缝隙处,能保持导电连续性,是解决缝隙电磁泄漏的好方法。在选用电磁密封衬垫时,需要熟悉以下特性参数:

转移阻抗 设衬垫和两侧屏蔽板的接合面上流过电流I,而两侧屏蔽板之间的电压为V,则转移阻抗定义为ZrVI。转移阻抗越低,则两侧屏蔽板之间的电磁泄漏越小,加衬垫后该缝隙的屏蔽效能越高。

硬度 衬垫的硬度应当适中,硬度太低,易造成接触不良,屏蔽效能较低;硬度太高,需要较大的压力,给结构设计造成困难。

压缩永久形变 衬垫只有在外力作用下发生一定的形变时,才有屏蔽作用。当外力去掉后,衬垫不会完全恢复到原来的形状,即发生了永久形变。当然,衬垫的压缩永久形变越小越好。

衬垫厚度 衬垫的厚度应能满足接触面不平整度的要求,利用其弹性,将缝隙填充满,达到导电连续性的目的。

常用的电磁密封衬垫有以下几种类型: 

金属丝网衬垫 用金属丝编织成的弹性网套,为纯金属接触,接触电阻低;但金属丝在高频时会呈现较大感抗,使屏蔽效能降低。所以只适用于l吉赫以下的频率范围。

橡胶芯编织网套 将金属丝编织的网套套在发泡橡胶芯或硅橡胶芯上,具有很好的弹性和导电性。

导电橡胶衬垫 在硅橡胶内填充金属颗粒或金属丝,构成导电的弹性物质。由于导电橡胶中的导电颗粒之间的容抗在高频时会降低,因此,填充金属颗粒在高频时屏蔽效能较高。如果填充方向一致的金属丝,还可以做到纯金属接触,但由于金属丝在高频时呈现较大感抗,使屏蔽效能降低,所以填充金属丝时只适用于低频。

铍铜指形簧片 利用被铜良好的导电性和弹性,可制成各种指形簧片。由于纯金属接触,直流电阻低,感抗又小,所以低频和高频时都具有较高的屏蔽效能。

螺旋管衬垫 用镀锡被铜或不锈钢做成 的螺旋管,具有良好的弹性和导电性,是目前屏蔽效能最高的衬垫。

2.导电化合物 

导电化合物包括各种导电胶和各种导电填充物等。环氧导电胶可用于金属之间,金属与非金属之间,各种硬性表面之间的导电粘接。可代替焊锡,完成微波器件引线连接;可修复印制板线路,可用于导电陶瓷粘接,天线元件粘接,玻璃除霜粘接,导电/导热粘接,微波波导部件粘接等。硅脂导电胶用于将弹性的导电橡胶粘接固定在金属表面上,可应用于航天、航空、军用等电子设备中。导电填充物是一种高导电浆糊状材料,用于无法加装屏蔽衬垫的缝隙处,固化后仍保持弹性。

电磁兼容性元器件
电磁兼容性元器件

3.截止波导通风板

屏蔽机箱的通风口及其它开口都是主要的电磁辐射源。采用开小孔或加金属丝网的方法都难以达到满意的屏蔽效能。理论证明,当金属管截面尺寸满足一定条件时,可以传输一定频率范围的电磁波,称为波导管。而波导管存在一个截止频率,当频率低于截止频率时,电磁波被截止而不能传输。根据这个原理可以设计成截止波导管。截止波导通风板由许多截止波导管依次排列组成,为了提高通风效率,每个截止波导管的截面都设计为六角形,故又称蜂窝状通风板。当屏蔽效能要求很高时,可用两块截止波导通风板构成双层通风板。而通风板材料的导电率是屏蔽效能的重要因素,采用高导电率材料或镀层的通风板可以得到高屏蔽效能。

 4.导电玻璃和导电膜片

显示屏或显示窗口既要满足视觉要求,又要满足防电磁辐射的要求,为此,可选用导电玻璃实现屏蔽。导电玻璃可用两块光学玻璃中间夹金属丝网构成,金属丝网的密度越大,屏蔽效能就越高,但透光性变得越差。导电玻璃也可由光学玻璃或有机玻璃表面镀的金属薄膜构成。此外,还可以在透明聚脂膜片上镀以金属薄膜,制成柔性透明导电膜片。这种膜片的透光性可达70(80%,而且膜片很薄,仅013mm,可以直接贴覆在常规玻璃或有机玻璃表面,特别适用于要求高透明度和中等屏蔽效能的仪表表盘、液晶显示器、面板指示灯孔、彩色显示器等部位。

电磁干扰滤波器的选用

实践表明,即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品,也仍然会有传导干扰发射或传导干扰进入产品。滤波是压缩干扰频谱的一种有效方法,当干扰频谱不同于有用信号的频带时,可以用电磁干扰滤波器将无用的干扰滤除。因此,恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是十分重要的。从频率选择的角度出发,电磁干扰滤波器属于低通滤波器,分为信号线滤波器和电源线滤波器等。 

 1.信号线滤波器 

信号线滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器,用来滤除高频干扰成分。可分为线路板滤波器、馈通滤波器和连接器滤波器等三种。线路板滤波器适合于安装在线路板上,具有成本低、安装方便等优点;馈通滤波器适合于安装在屏蔽壳体上,特别适用于单根导线或电缆穿过屏蔽体时使用;滤波器连接器适用于多根导线或电缆穿过屏蔽体时使用。滤波器连接器在外形上和尺寸上都和普通连接器相同,两者完全可以互换。但滤波器连接器的每个针或孔上都有一个低通滤波器,它的电路可以是单个电容的,也可以是L型或π型的。

选用信号线滤波器时,应根据使用的场合,选择滤波器的类型,根据滤波要求选择滤波器的电路和性能指标,为了保证信号频率顺利通过滤波器,滤波器的截止频率应高于信号频率的上限。此外,还应正确选择滤波器的工作电压、电流、温度范围等。在使用信号线滤波器时,最重要的是保证滤波器有良好的接地,接地线应尽量短。滤波器外壳应与屏蔽体有良好的电接触,可以使用焊接方式或采用射频电磁密封衬垫。

新研制的滤波器阵列板是将滤波器制成微形器件,并排列成阵列,能快速安装到电子产品的底板或隔断上,以实现密封或隔离。

2.铁氧体电磁干扰抑制元件

铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。因此,它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,LR都是频率的函数。例如磁导率为850的铁氧体,在10MHz时阻抗小于10Ω,而超过l00MHz后阻抗大于100Ω,使高频干扰大大衰减。这样,就构成了一个低通滤波器。低频时R很小,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;高频时R增大,电磁干扰被吸收并转换成热能。

 铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。例如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。 

不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。

铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路,则应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。 

安装时还应当注意,铁氧体元件易破碎,应采取可靠的固定措施。

3. 电源线滤波器

电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。为防止这两种情况的发生,必须在设备的电源接口安装电源线滤波器。它只允许电源频率通过,而高于电源频率的电磁干扰却受到很大的衰减。 

电源线上的干扰以两种形式出现,在火线、零线回路中的干扰为差模干扰,在火线、零线与地线回路中的干扰为共模干扰。虽然电源线滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用,但效果不一样,应分别给出两者的插入损耗。除了特别说明允许不接地的滤波器外,所有电源滤波器都必须接地,因为滤波器中的共模旁路电容只有接地时才起作用。

使用电源滤波器时,应尽量靠近电源入口处安装,并使滤波器的输入/输出端之间屏蔽隔离,避免电磁干扰从输入端直接耦合到滤波器的输出端。此外,滤波器的接地点还应尽量靠近设备的接地点。电源线滤波器的技术指标包括:最大泄漏电流、耐压、额定工作频率、额定工作电压、额定工作电流和温度范围等。

结束语

电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键,正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设计的前提。因此,我们必须深入掌握这些元器件,这样才有可能设计出符合标准要求、性能价格比最优的电子、电气产品。

综上所述,本文已为讲解正确选择和使用电磁兼容性元器件,相信大家对
电磁兼容性元器件的认识越来越深入,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。

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