印制電路板中電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用

劉昕卓， 駱 楓， 楊顯清， 王 園

（1.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610064）

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及印制電路板（printed circuit board，PCB）的大量使用，高頻諧波對(duì)電子產(chǎn)品和設(shè)備造成的電磁兼容問題越來越嚴(yán)重。由于PCB上的電子器件集成度越來越大，走線越來越窄，工作頻率也越來越高，不可避免地引入了電磁兼容（EMC）的問題。PCB產(chǎn)品的小型化以及高度集成化和高速高頻化設(shè)計(jì)，使得PCB產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)變得越來越重要。PCB產(chǎn)品電磁兼容性能的高低，已經(jīng)成為衡量PCB產(chǎn)品與系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[1-2]。

1 電磁屏蔽技術(shù)

隨著PCB產(chǎn)品工作頻率的升高，其電磁輻射能力也逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)場(chǎng)電磁干擾。遠(yuǎn)場(chǎng)中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都不能被忽略，所以要考慮同時(shí)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽即電磁屏蔽。當(dāng)PCB產(chǎn)品工作頻率很高時(shí)，其內(nèi)部也可能產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁干擾，因此需要電磁屏蔽。

電磁屏蔽是抑制PCB電磁干擾的重要手段之一。它利用屏蔽體對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)加以屏蔽，一般用來對(duì)高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。對(duì)于頻率較高的干擾電壓，選擇良導(dǎo)體制作屏蔽體，且能良好地接地，則可起到對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行屏蔽。但是，對(duì)高頻磁場(chǎng)屏蔽的渦流不僅對(duì)外來干擾產(chǎn)生抵制作用，同時(shí)還可能對(duì)被屏蔽體保護(hù)的設(shè)備內(nèi)部帶來不利的影響，從而產(chǎn)生新的干擾[3]。

屏蔽效能是指在有屏蔽體時(shí)，被屏蔽空間內(nèi)某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與沒有屏蔽體時(shí)該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的比值，如式（1）所示。

其中：Eb——被屏蔽空間內(nèi)某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)；

Ea——沒有屏蔽體時(shí)該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)。

2 EMC參考標(biāo)準(zhǔn)CISPR-22介紹

在該文的測(cè)試中，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）所出版的CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)將作為測(cè)試的參考標(biāo)準(zhǔn)[4]。CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)是信息技術(shù)設(shè)備的發(fā)射要求，它與EN55022要求是一致的。按照產(chǎn)品種類分為CLASS A產(chǎn)品與CLASS B產(chǎn)品兩種類別，其中CLASS A產(chǎn)品主要是指工作在工業(yè)環(huán)境的產(chǎn)品，而CLASS B主要是指用于家庭環(huán)境中的產(chǎn)品。所以，CLASS B的要求要比CLASS A的要求嚴(yán)格一些，如表1所示。

表1 CISPR-22參考標(biāo)準(zhǔn)

由于所測(cè)試的PCB產(chǎn)品是家庭中使用的民品，所以主要參考CLASS B來做為參考，并且主要討論10m測(cè)試距離的結(jié)果。

3 實(shí)際屏蔽技術(shù)的應(yīng)用

采用10 m電波暗室對(duì)某款PCB產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射（RE）測(cè)試[5-8]，測(cè)試環(huán)境及測(cè)試配置如圖1所示。通過屏蔽技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)某款PCB做了改進(jìn)，并且進(jìn)行2次輻射發(fā)射測(cè)試，其PCB產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該次測(cè)試是基于CISPR-22 CLASS B標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試所采用的天線為雙極子天線。

圖1 輻射發(fā)射的測(cè)試環(huán)境和配置

圖2 所測(cè)試PCB產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試配置同樣也是測(cè)試過程關(guān)鍵的步驟，它直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在測(cè)試之前，確認(rèn)儀器的連通性和準(zhǔn)確性。

測(cè)試中所用到的PCB產(chǎn)品是某款民用產(chǎn)品，其PCB的部分實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖2所示，芯片的位置以及PCB的大體結(jié)構(gòu)清晰可見，PCB的尺寸為7mm×5.2mm。

對(duì)該P(yáng)CB產(chǎn)品按照CISPR-22 CLASS B要求做10m電波暗室的輻射發(fā)射測(cè)試，其電場(chǎng)分布圖如圖3所示，特定測(cè)試點(diǎn)的參數(shù)值如表2所示，整個(gè)測(cè)試過程中都采用準(zhǔn)峰值（QP）檢波。

圖3 改進(jìn)前的EMI測(cè)試圖

表2 （a）改進(jìn)前水平極化特定點(diǎn)的參數(shù)值列表

表2 （b）改進(jìn)前垂直極化特定點(diǎn)的參數(shù)值列表

輻射發(fā)射（RE）測(cè)試，是測(cè)量受試設(shè)備（EUT）通過空間傳播的輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)CISPR-22 CLASS B的要求，這里主要討論電場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的測(cè)試。

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，偶極子水平極化測(cè)試時(shí)，在100～170MHz之間，超過限值的頻率點(diǎn)較為集中，圖形較為對(duì)稱，且頻率較高。初步分析不是電源所致，而是芯片以外的部分電容、電感大量使用，以及PCB走線產(chǎn)生的差模電流形成的輻射環(huán)路造成。而對(duì)于垂直極化測(cè)試時(shí)在170MHz以下都存在集中超過限值的頻率，初步斷定可能與芯片接地不良有關(guān)。另外，電容、電感的使用導(dǎo)致接地不良，導(dǎo)致電容、電感與地平面之間呈現(xiàn)高阻抗，產(chǎn)生干擾的輻射。

根據(jù)該P(yáng)CB的設(shè)計(jì)參數(shù)，產(chǎn)品的諧振頻率在40MHz，所以在諧振頻率的倍頻，如 80，120，160 MHz等，都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品的輻射泄漏，對(duì)外部環(huán)境電磁干擾，與上述出現(xiàn)的輻射遺漏頻率點(diǎn)大體一致。

根據(jù)電磁屏蔽設(shè)計(jì)的“拇指法則”，當(dāng)屏蔽罩的諧振頻率保證遠(yuǎn)大于輻射源的諧振頻率，即fs＞＞fr，一般取5～10倍。

圖4 加屏蔽體后所測(cè)PCB的實(shí)體

使用的屏蔽罩上殼材料為不銹鋼SUS301，下殼材料為洋白銅CU-C7521，都為良性導(dǎo)體材料，其面上有小尺寸的通孔，是起散熱的作用，這個(gè)通孔要盡可能小，以免內(nèi)部輻射通過其泄漏出來。屏蔽體的位置以及裝配圖如圖4所示。

為使該P(yáng)CB產(chǎn)品順利通過CISPR-22 CLASS B要求，采用屏蔽技術(shù)將輻射環(huán)路切斷，并且將芯片管腳近距離接地，盡可能降低管腳所呈現(xiàn)的阻抗。根據(jù)上述測(cè)試過程再次對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，其測(cè)試出來的電場(chǎng)分布圖如圖5所示，特定點(diǎn)的參數(shù)值如表3所示。屏蔽罩的尺寸為5.8 mm×2.1mm×2mm。

圖5 改進(jìn)后的EMI測(cè)試圖

表3 （a）改進(jìn)后水平極化特定點(diǎn)的參數(shù)值列表

表3 （b）改進(jìn)后垂直極化特定點(diǎn)的參數(shù)值列表

可以近似利用計(jì)算內(nèi)部填充空氣的諧振腔的諧振頻率，如式（2）所示，其中對(duì)于TE波m和n可以為零，但不能同時(shí)為零，且p可以為零；對(duì)于TM波m和n不能為零，而p可以為零。

通過估算，該諧振腔的諧振頻率在1GHz以上，完全滿足fs＞＞fr的要求，達(dá)到屏蔽標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)添加屏蔽體，該產(chǎn)品順利通過CISPR-22 CLASS B要求的測(cè)試，在此注意添加屏蔽體時(shí)要保證屏蔽體接地良好[9]，否則對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響，甚至直接導(dǎo)致屏蔽體起不了作用且使得整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)一步難解。

結(jié)合屏蔽效能的定義，容易計(jì)算出不同頻率點(diǎn)的屏蔽效能。通過屏蔽體的添加結(jié)合所測(cè)電場(chǎng)的大小，可以估算整個(gè)測(cè)試頻段的平均屏蔽效能大約為10dB，這樣看來屏蔽技術(shù)對(duì)該P(yáng)CB產(chǎn)品的質(zhì)量改進(jìn)起到了至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)某款PCB產(chǎn)品的10m電波暗室輻射發(fā)射的測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果做了詳細(xì)的波形分析并且給出了解決方案。即采用電磁屏蔽技術(shù)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行EMC改進(jìn)，順利通過CISPR-22 CLASS B要求，最后結(jié)合屏蔽效能（SE）的定義將整個(gè)測(cè)試頻段的屏蔽效能估算出來，結(jié)果較為滿意。

實(shí)際上，在PCB的應(yīng)用中，電源的干擾也應(yīng)該考慮在其中。通過該次測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，所測(cè)PCB產(chǎn)品的電源不是影響周圍電磁環(huán)境的主要因素，所以在考慮電磁屏蔽時(shí)沒把電源的屏蔽作為考慮對(duì)象。由于現(xiàn)在PCB的大量使用以及PCB的復(fù)雜化，面臨的EMC問題難度不斷增加，所以該次測(cè)試以及利用電磁屏蔽技術(shù)對(duì)PCB產(chǎn)品的改進(jìn)有一定的局限性，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)在高速PCB的應(yīng)用，繼續(xù)對(duì)PCB的信號(hào)完整性問題進(jìn)行更深入的研究。

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[7]李舜陽(yáng).電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)量技術(shù)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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[9]高攸綱.屏蔽與接地[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.