王海靜

（中煤電氣有限公司）

0 引言

電工電子設備機柜產(chǎn)品的電磁屏蔽和靜電放電防護是確保內(nèi)裝各種電氣設備和電器 （電子元件）正常運行重要措施之一，也是確保相應功能產(chǎn)品可靠運行的關(guān)鍵。該類產(chǎn)品的突出特點是一方面受功能需要，門的開啟和表面安裝器件是無規(guī)律可循的，另一方面受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝的制約，整體構(gòu)造會有比較多的縫隙存在，第三適合于產(chǎn)品的電磁密封材料可選的余地不大，第四制造成本會成為突出的矛盾。

1 基于電工電子設備機柜的電磁屏蔽和靜電放電的原理

1.1 電磁屏蔽原理

（1）一般概念

電磁屏蔽一般分為兩類：一類是靜電屏蔽，主要防止靜電場和恒定磁場的影響；另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。通常，電磁屏蔽主要是指用屏蔽體阻止交變電磁場在空間傳播的措施。

屏蔽體的屏蔽效果，即屏蔽體對電磁信號的衰減程度，通常用屏蔽效能SE來表示，其定義為：“對給定外來源進行屏蔽時，在某一點上屏蔽體安裝前后的電磁場強度之比”，可表示為式（1）和式（2）：

式中，E0為沒有屏蔽時測得的電場強度；H0為沒有屏蔽時測得的磁場強度；E1為屏蔽后測得的電場強度；H1為屏蔽后測得的磁場強度。

當交變電磁場通過金屬材料表面或由金屬材料所包圍的孔眼時，因電磁感應形成的渦流所產(chǎn)生的電磁場方向與原來的電磁場方向相反，抵消了一部分原來的電磁場，從而起到屏蔽作用。產(chǎn)生的渦流越大，屏蔽效果就越好；金屬材料的電導率越高，屏蔽效能越好。同時，由于渦流產(chǎn)生的焦耳熱消耗了入射電磁場的能量，同樣可起到屏蔽作用。

（2）金屬的趨膚效應

當電磁場傳播時，在金屬內(nèi)會因所產(chǎn)生感應電流的熱效應以及反方向電磁場，使其能量損耗而衰減。當電磁場在金屬內(nèi)傳播的深度為δ時，其衰減的倍數(shù)為e（2.718倍）。δ是描述金屬對電磁波吸收能力的一個值，即金屬的“趨膚效應”。δ值越小的金屬，吸收電磁場的能量就越大，屏蔽效果就越好。在電磁場理論中把δ稱為“趨膚深度” 或“透入深度”。表1列出了幾種金屬的在某些頻率下的趨膚深度。

表1 金屬在某些頻率下的趨膚深度

（續(xù)）

由表1可以看出，當電磁場頻率為1MHz時，銅板的趨膚深度為0.067mm，采用大于此厚度銅板制成的封閉殼體就可以達到良好的屏蔽效果。

1.2 靜電放電防護原理

靜電是物體表面的靜止電荷。物體在接觸、摩擦、分離、電解等過程中，發(fā)生電子或離子的轉(zhuǎn)移，正電荷和負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡，就形成了靜電。當物體表面的靜電場梯度達到一定的程度時，由于正電荷和負電荷的中和，就會發(fā)生靜電放電（ESD）。靜電放電可以出現(xiàn)在兩個物體之間，也可由物體表面直接向空氣放電。

靜電放電耦合到電工電子設備主要有兩種方式：直接傳導和空間耦合（電感或電容耦合）。

靜電放電的特點是：

1）靜電放電是一個高電位、強電場、瞬時大電流的釋放過程；

2）靜電放電還會產(chǎn)生強烈的電磁輻射而形成電磁脈沖。

靜電放電的類型如下：

1）電暈放電，電暈放電是一種高電位、小電流、空氣被局部電離的放電過程；

2）刷形放電，刷形放電是一種發(fā)生在導體與電絕緣體之間，放電通道成分散的樹枝形狀的放電過程；

3）火花放電，火花放電是一個瞬變的過程，放電時兩放電體之間的空氣被擊穿，形成“快如閃電” 的火花通道，使靜電能量在瞬時集中釋放。

2 基于電工電子設備機柜的電磁屏蔽設計基本原則

2.1 電磁屏蔽設計的基本考慮

1）采用金屬材料作為屏蔽體可以獲得對電磁場的有效屏蔽。此時宜考慮屏蔽體的剛性、工藝性及表面涂覆層的選擇等；

2）采用工程塑料作為機械結(jié)構(gòu)外殼，可以考慮再電鍍上金屬鍍層（例如銅、鎳、銀） 以獲得較好的屏蔽效果；

3）屏蔽體結(jié)構(gòu)應盡量簡潔，盡可能減少不必要的孔洞和縫隙，以防電磁泄漏；

4）搭接面應具有良好的導電性，并盡量提高零件的剛性、表面精度、增加縫隙的深度，以及控制好緊固點的配合公差；

5）由于電磁場的孔隙泄漏現(xiàn)象，電磁屏蔽體上的開孔、縫隙等宜謹慎處理。通風孔盡量采用列陣排列的圓孔或正六邊形孔；當屏蔽與散熱有沖突時，盡量開小孔、增加孔的數(shù)量，避免開大孔；

6）有相對運動的零部件不應依靠導軌、銷軸等活動連接方式進行搭接，必要時可以通過電纜實現(xiàn)搭接；

7）透明觀察窗宜采用電磁屏蔽玻璃或聚酯導電薄膜并可靠接地；

8）通風窗宜采用波導式通風窗，以達到滿意的屏蔽效能。

2.2 電磁屏蔽設計基本方法

（1）屏蔽體縫隙電磁泄漏的抑制

對于屏蔽體縫隙的電磁泄漏，可采用以下方法抑制：

1）增加屏蔽體接合面的深度 （例如連接處折彎），使縫隙結(jié)合處的接觸面積增大，以減小接觸面電阻、增加波導截止效應；

2）在屏蔽體連接處形成迷宮型結(jié)構(gòu)，或者采用屏蔽盒蓋嵌入盒體的結(jié)構(gòu)也是常用的增加縫隙深度的方法；

3）減小屏蔽體縫隙的長度，使得縫隙長度遠小于所要抑制的電磁波波長，一般宜小于1/100波長，至少不大于1/20波長；

4）盡量減小緊固螺釘之間的間距或采用連續(xù)焊，以減小縫隙長度；

5）在屏蔽體接合面上沖制間隔的凸起，以增加接觸點；

6）保持接觸面較好的平整度、保持接觸面清潔，必要時涂覆導電涂料，以減小接觸電阻；

7）在屏蔽體縫隙的結(jié)合面添加導電襯墊，以增加屏蔽效果。

（2）屏蔽體孔洞泄漏的抑制

對于機械結(jié)構(gòu)屏蔽體孔洞的電磁泄漏，可采用以下方法抑制：

1）金屬絲網(wǎng)：將金屬絲網(wǎng)覆蓋在大面積的通風孔上，能顯著地防止電磁泄漏。金屬絲網(wǎng)的屏蔽性能與網(wǎng)絲直徑、網(wǎng)孔疏密程度、網(wǎng)絲交點處的焊接質(zhì)量及網(wǎng)絲材料的導電率有關(guān)；

2）穿孔金屬板：鑒于孔洞尺寸與電磁泄露成正比，可在滿足屏蔽體通風量要求的前提下，以多個小孔代替一個大孔；

3）截止波導通風孔：利用波導對于在其內(nèi)部傳播的電磁波起著高通濾波器的作用，可阻止高于截止頻率的電磁波通過。截止波導通風孔陣顯著的特性有：工作頻段寬，即使在微波波段也有較高的屏效；對空氣的阻力小，風壓損失小；機械強度高，工作穩(wěn)定可靠。

（3）屏蔽體上觀察窗口泄漏的抑制

觀察窗口包括指示燈、表計面板、數(shù)字顯示器及CRT（陰極射線管）等，泄漏擬制可供選擇的方案包括：

1）使用波導衰減器；

2）使用金屬絲網(wǎng)或帶有金屬絲網(wǎng)的玻璃（或聚酯導電薄膜）夾層板；

3）對重要的器件進行屏蔽，對進入器件的所有導線濾波；

4）使用屏蔽玻璃或屏蔽聚酯導電薄膜。

其中2）、3）、4）適用于對儀表、CRT等大孔洞元件進行電磁泄漏控制。甚高頻和微波段宜選用金屬絲網(wǎng)，并應注意金屬絲網(wǎng)和屏蔽網(wǎng)對設備操作、觀察可能造成的不良影響，以及導電玻璃、導電薄膜使光射的射投所造成的損失。

（4）操作器件開孔泄漏的抑制

需要調(diào)控的元器件（例如可變電容器、可變電感器、電位器等），常將其調(diào)整軸伸出面板之外。

抑制此類調(diào)整孔電磁泄漏的措施有：

1）采用圓形截止波導結(jié)構(gòu)，此時調(diào)整軸應用絕緣材料制成；

2）對于無法換成非金屬的金屬操作桿穿過的小孔或波導管，可用指形彈簧將金屬桿的四周與屏蔽體搭接；

3）設置隔離艙，將設備中的主電路與操作器件（設備外部）隔離。

（5）貫通導體的處理

降低或減小穿過屏蔽體的導體對屏蔽效能的破壞方法有：

1）將導體屏蔽，這相當于將屏蔽體延伸到導體的端部；

2）對導體的傳輸信號進行濾波處理。

3 基于電工電子設備機柜的靜電放電防護設計基本原則

3.1 靜電放電防護設計基本考慮

1）靜電源控制，絕緣材料的靜電通過接地和等電位連接無法消除，因此應對敏感器件周邊進行靜電源控制；

2）等電位連接，與敏感器件接觸的導體實現(xiàn)等電位連接（接地），避免敏感器件因靜電放電損壞；

3）防靜電包裝，ESD防護區(qū)的器件應使用防靜電包裝，以防外界靜電源的影響；

4）優(yōu)先考慮安全，ESD防護措施不能降低安全水準，如果與安全之間發(fā)生沖突，則優(yōu)先考慮安全。

3.2 靜電放電防護設計方法

（1）一般方法

包括但不限于：

1）金屬外殼的各部件之間應實現(xiàn)良好的接地連續(xù)性以及低的接觸電阻，各搭接處宜采用面接觸，避免點接觸；

2）相互搭接的金屬之間的電化學電位差不大于0.5V，超過時可以選擇過渡金屬（或鍍層），以降低原來兩種金屬接觸的電化學腐蝕；

3）可觸及的鍵盤、控制面板、手動控制器、鑰匙鎖等金屬部件，應直接通過金屬外殼接地。如果不能接地，與內(nèi)部電路走線的絕緣距離宜滿足以下要求：空氣間隙不小于4mm；爬電距離不小于6mm。

4）各接地點在外殼（機柜） 接地點匯接或在外部接地網(wǎng)上匯接，以形成良好的靜電泄放通路；

5）小型低速（頻率小于10MHz） 設備可以采用工作地浮地（浮空地），或工作地單點接金屬外殼、金屬外殼單點接地，使靜電通過機殼泄放到大地時對內(nèi)部電路無影響；

6）小型高速（頻率大于10MHz）設備的功能地應就近與其金屬機殼實現(xiàn)多點接地，且金屬外殼單點接大地；

7）機柜的接地點與外部接地點之間保持可靠的電氣連接，聯(lián)接銅導線的截面不應小于表2的規(guī)定；

表2 接地導體的面積 （單位：mm2）

8）金屬外殼與電子器件的間距最少保持2mm；

9）增加外殼到電路板之間的距離，如8kV的ESD在經(jīng)過4mm的距離后能量一般可衰減為零；

10）可用導電油漆，如EMI油漆，涂在殼體內(nèi)側(cè)，形成一個金屬的覆蓋層，并通過這個屏蔽層將靜電泄放；

11）設置靜電放電插孔，以便把靜電泄放。

（2）外殼上縫隙和孔洞的靜電放電防護方法

外殼上縫隙和孔洞的電磁屏蔽處理方法對靜電放電防護同樣有效。