SVG子模塊PCB殼體的電磁屏蔽效能仿真分析

孫德林 張中勝 曹利偉 徐國良

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，常州 213025；2.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211100）

電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻電磁場(chǎng)在空間傳播的一種方法。靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）子模塊中的印制電路板（Printed Circuit Boar，PCB）殼體為保證板卡艙內(nèi)微電子元器件不受與它相近的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）或者晶閘管的工作頻率的電磁干擾，通常對(duì)板卡艙外部加上金屬屏蔽殼體[1]。但是，由于板卡艙內(nèi)部的微電子元器件工作時(shí)需要散熱、器件接線等因素的存在，需要在殼體上開孔開縫。外界的電磁干擾通過這些孔縫耦合到機(jī)箱內(nèi)部，造成PCB中敏感元器件的波動(dòng)，影響電路的正常工作，造成子模塊無法正常運(yùn)行。本文采用基于有限元原理的ANSYS HFSS仿真軟件，對(duì)不同情形下的PCB殼體開孔和材質(zhì)進(jìn)行分析，給出提高機(jī)箱屏蔽效能的改進(jìn)措施。

1 電磁屏蔽理論

屏蔽是一種空域的電磁干擾控制方法，用來抑制電磁噪聲沿著空間傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。理論上，很多電磁兼容問題可以通過屏蔽來解決。通過電磁屏蔽方法解決電磁干擾的問題不會(huì)影響電路的正常工作，因此不需要更改電路。

屏蔽也是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對(duì)裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，可以是導(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的，或帶有非金屬吸收填料。對(duì)干擾源或感受器（敏感設(shè)備、電路或組件）進(jìn)行屏蔽，能有效抑制干擾，并提高電子設(shè)備的電磁兼容性，是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的重要措施之一。簡(jiǎn)單來說，電磁屏蔽是同時(shí)抑制或削弱電場(chǎng)和磁場(chǎng)，一般采用屏蔽效能來定量分析和表示屏蔽體對(duì)電磁騷擾的屏蔽能力和效果。屏蔽效能的定義是指不存在屏蔽體時(shí)某處的電場(chǎng)強(qiáng)度E0（磁場(chǎng)強(qiáng)度H0）與存在屏蔽體時(shí)同一處的電場(chǎng)強(qiáng)度E1（磁場(chǎng)強(qiáng)度H1）之比SEdB，常用分貝（dB）表示[2]。

對(duì)電場(chǎng)，屏蔽效能SEdB為：

對(duì)磁場(chǎng)，屏蔽效能SEdB為：

理論上：對(duì)于近場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的近場(chǎng)波阻抗不相等，電場(chǎng)屏蔽效能和磁場(chǎng)屏蔽效能也不相等；對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體。電磁場(chǎng)的波阻抗是一個(gè)固定的常數(shù)，因此可以認(rèn)為電場(chǎng)的屏蔽效能和磁場(chǎng)的屏蔽效能是相等的，統(tǒng)稱為電磁屏蔽效能。

2 建模與仿真

2.1 建模與前處理過程

同等面積下，3種不同開孔形狀的仿真PCB殼體模型如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 無開孔殼體

圖2 圓形陣列孔

圖3 正六邊形陣列孔

電磁場(chǎng)無論從屏蔽體的內(nèi)部空間穿透到外面或者從外面進(jìn)入其內(nèi)部空間，都可以歸結(jié)為兩個(gè)途徑，即經(jīng)屏蔽體材料的穿透和電氣上不連續(xù)處（空洞、縫隙）的泄露[3]。

為探討解決工程實(shí)際問題，基于SVG產(chǎn)品子模塊的PCB殼體的幾何尺寸為長(zhǎng)×寬×高=470 mm×270 mm× 61.6 mm的矩形封閉殼體。它的表面開有供板卡通風(fēng)的散熱孔和接線孔。PCB殼體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，殼體6個(gè)面上開有散熱陣列孔和接線端子孔。PCB殼體壁厚度t為1.2 mm。如圖4所示，設(shè)置仿真的激勵(lì)源偶極子發(fā)射源位于殼體正中心原點(diǎn)處，測(cè)量點(diǎn)位于為3 m處的位置。模擬測(cè)試PCB殼體上無開孔、殼體開孔為圓形陣列孔和六邊形陣列孔、殼體材質(zhì)為普通的Q235材質(zhì)和防腐的304材質(zhì)的屏蔽效能仿真對(duì)比分析。使用有限元法求解電磁場(chǎng)時(shí)，有必要引入一個(gè)包圍該物體的虛構(gòu)面，將無線的區(qū)域截?cái)酁橛邢薜捏w積[4]。因此，建模時(shí)模型外面加了一個(gè)長(zhǎng)×寬×高為620 mm×420 mm× 210 mm的矩形體作為輻射的邊界條件（如圖5所示），材質(zhì)為真空。本文中如無特殊說明，平面電磁波都是垂直入射，頻率范圍為100 MHz～1 GHz[1]。

圖4 激勵(lì)源

圖5 邊界條件建立

2.2 同一材質(zhì)殼體不同孔陣的屏蔽效能仿真分析

以不同開孔狀態(tài)下的PCB殼體進(jìn)行仿真，同樣的殼體分別選擇無孔、圓形陣列孔以及正六邊形陣列孔為仿真分析對(duì)象，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 同一材質(zhì)殼體不同孔陣的屏蔽效能曲線

根據(jù)仿真曲線結(jié)果可知，此PCB殼體在同一種材質(zhì)下的3種狀態(tài)。殼體外表面增加通風(fēng)散熱孔和接線孔明顯，比沒有開孔的電磁屏蔽效能降低，且在低頻階段的屏蔽效能相差約60 dB；高頻階段相差不大，約為10 dB以內(nèi)，諧振點(diǎn)附近無差異。同一種材質(zhì)下，在開同等面積的通風(fēng)散熱孔為圓形陣列孔和正六邊形陣列孔在頻率為低頻階段時(shí)，二者的電磁屏蔽效能基本相當(dāng)。在高頻階段和諧振點(diǎn)附近，二者也基本相當(dāng)。需要注意的是，高頻階段0.6～1 GHz區(qū)間，諧振點(diǎn)附近此PCB殼體的屏蔽效能整體上都較差，影響其屏蔽效能的主要因素已不再是開孔形狀。高頻階段使用時(shí)，注意校對(duì)器件的自振頻率，盡量避開此諧振頻率點(diǎn)[5]。

2.3 同一開孔形式不同材質(zhì)的屏蔽效能仿真分析

實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如鹽霧、潮濕等不同工況，綜合考慮防腐等級(jí)、成本。常規(guī)內(nèi)陸工程通常采用普通的Q235材質(zhì)板為PCB殼體材質(zhì)；鹽霧環(huán)境考慮到防腐等級(jí)要求高，則采用304（或316）不銹鋼材質(zhì)板作為PCB的殼體[6]?，F(xiàn)將二者不同材質(zhì)同一開孔形式（圓形陣列孔）的電磁屏蔽進(jìn)行仿真對(duì)比分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 Q235材質(zhì)和304材質(zhì)殼體圓形陣列孔的屏蔽效能曲線

從上述仿真曲線結(jié)果來看：Q235材質(zhì)板和304材質(zhì)殼體屏蔽效能基本相當(dāng)；在諧振點(diǎn)的位置，Q235材質(zhì)殼體的屏蔽性能優(yōu)于304材質(zhì)殼體。

3 結(jié)語

仿真結(jié)果表明，此SVG子模塊板卡艙的PCB殼體外部開孔后會(huì)影響自身的電磁屏蔽特性。該結(jié)構(gòu)在工程中實(shí)際使用中板卡上焊接的微電子元器件可能會(huì)受到外部干擾，從而導(dǎo)致故障。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如果無法避免開孔的情況下，盡量減少開孔數(shù)量和減小開孔大小。在低頻階段同材質(zhì)且同面積同規(guī)律孔陣列的情況下，圓形孔、六邊形孔的屏蔽效能二者相當(dāng)，可以忽略不計(jì)。在高頻階段，諧振點(diǎn)附近三者不同的孔屏蔽效能都降低了，建議高頻階段需要注意器件的自振頻率，以注意避開諧振點(diǎn)。同形狀同面積的不同材質(zhì)的孔陣列殼體，Q235材質(zhì)的屏蔽效能在低頻階段和304材質(zhì)的屏蔽效能一致，在高頻諧振點(diǎn)附近Q235材質(zhì)殼體優(yōu)于304材質(zhì)殼體。在低頻階段，殼體材質(zhì)和開孔形狀對(duì)屏蔽效能影響不大。殼體如果使用在高階頻率的情況下，設(shè)計(jì)屏蔽體開孔時(shí)需要綜合考慮開孔的形狀、殼體材質(zhì)、開孔的美觀性，同時(shí)還要考慮到關(guān)鍵器件（IGBT）的自身頻率和殼體的諧振點(diǎn)頻率，盡可能調(diào)整結(jié)構(gòu)，使電路器件響應(yīng)頻率避開殼體自身的諧振頻率。