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        印制電路板中電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用

        2012-11-15 07:36:56劉昕卓楊顯清
        中國測試 2012年1期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品

        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,使得PCB產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計變得越來越重要。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,轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)場電磁干擾。遠(yuǎn)場中的電場和磁場都不能被忽略,所以要考慮同時對電場和磁場屏蔽即電磁屏蔽。當(dāng)PCB產(chǎn)品工作頻率很高時,其內(nèi)部也可能產(chǎn)生遠(yuǎn)場的電磁干擾,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。它利用屏蔽體對電場和磁場同時加以屏蔽,一般用來對高頻電磁場進(jìn)行屏蔽。對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,則可起到對電場和磁場同時進(jìn)行屏蔽。但是,對高頻磁場屏蔽的渦流不僅對外來干擾產(chǎn)生抵制作用,同時還可能對被屏蔽體保護(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,被屏蔽空間內(nèi)某點(diǎn)的場強(qiáng)與沒有屏蔽體時該點(diǎn)場強(qiáng)的比值,如式(1)所示。

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

        Ea——沒有屏蔽體時該點(diǎn)場強(qiáng)。

        2 EMC參考標(biāo)準(zhǔn)CISPR-22介紹

        在該文的測試中,國際電工委員會(IEC)所出版的CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)將作為測試的參考標(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電波暗室對某款PCB產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射(RE)測試[5-8],測試環(huán)境及測試配置如圖1所示。通過屏蔽技術(shù)的應(yīng)用,對某款PCB做了改進(jìn),并且進(jìn)行2次輻射發(fā)射測試,其PCB產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該次測試是基于CISPR-22 CLASS B標(biāo)準(zhǔn)要求,測試所采用的天線為雙極子天線。

        圖1 輻射發(fā)射的測試環(huán)境和配置

        圖2 所測試PCB產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖

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

        測試中所用到的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)射測試,其電場分布圖如圖3所示,特定測試點(diǎn)的參數(shù)值如表2所示,整個測試過程中都采用準(zhǔn)峰值(QP)檢波。

        圖3 改進(jìn)前的EMI測試圖

        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)測試,是測量受試設(shè)備(EUT)通過空間傳播的輻射騷擾場強(qiáng)。根據(jù)CISPR-22 CLASS B的要求,這里主要討論電場遠(yuǎn)場的測試。

        通過測試發(fā)現(xiàn),偶極子水平極化測試時,在100~170MHz之間,超過限值的頻率點(diǎn)較為集中,圖形較為對稱,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。而對于垂直極化測試時在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)上述測試過程再次對該產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射測試,其測試出來的電場分布圖如圖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,其中對于TE波m和n可以為零,但不能同時為零,且p可以為零;對于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要求的測試,在此注意添加屏蔽體時要保證屏蔽體接地良好[9],否則對測試結(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測試過程進(jìn)一步難解。

        結(jié)合屏蔽效能的定義,容易計算出不同頻率點(diǎn)的屏蔽效能。通過屏蔽體的添加結(jié)合所測電場的大小,可以估算整個測試頻段的平均屏蔽效能大約為10dB,這樣看來屏蔽技術(shù)對該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

        通過對某款PCB產(chǎn)品的10m電波暗室輻射發(fā)射的測試,對測試結(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)的定義將整個測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。通過該次測試后發(fā)現(xiàn),所測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沒把電源的屏蔽作為考慮對象。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,所以該次測試以及利用電磁屏蔽技術(shù)對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PCB的信號完整性問題進(jìn)行更深入的研究。

        [1]Montrose M L.電磁兼容的印制電路板設(shè)計[M].呂英華,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        [2]邵小桃.電磁兼容與PCB設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

        [3]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2004.

        [4]IEC.CISPR 22,edition 5.2[S].Geneva:IEC Central Office,2006.

        [5]趙陽.電磁兼容測試方法與工程應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

        [6]鄭軍奇.EMC設(shè)計與測試案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

        [7]李舜陽.電磁兼容設(shè)計與測量技術(shù)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

        [8]闞潤田.電磁兼容測試技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

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

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