电子组装工艺与设备(大二下学期)第二节屏蔽技术2011

第二节屏蔽技术,屏蔽概念,屏蔽就是用导电或导磁材料制成的以盒、壳、板和栅等形式将电磁场限制在一定空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减，从而抑制了电磁场干扰的扩散。用导电或导磁材料制成的以盒、壳、板和栅等，称为屏蔽体。因此屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。,屏蔽的分类,电场屏蔽即静电或交变电场的屏蔽，用于防止或抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。磁场屏蔽用于防止电磁感应，抑制寄生电感耦合，隔离磁场干扰。电磁场屏蔽用于防止或抑制高频电磁场的干扰。,电场屏蔽,原理：其实质就是为了抑制寄生电容耦合，既减少两个回路（或两元件、组件）间电场感应的影响。,屏蔽分析：如图所示，导体g（干扰体）上有高频电压Eg，附近有一导体s（接收器），s与地的分布电容为Cs，g与s间的分布电容为Cgs。1）当不加屏蔽体时g在s上产生的感应电压为：,2）加屏蔽体且接地时：如果在两导体间加入一接地良好的金属板，则s上的感应电压为：此时Cgs的值很小，如果接地金属板无穷大，则Cgs为0，那么可以认为Us为0，即电场干扰就被完全隔离。,3）加屏蔽体但不接地时：如果金属板不接地，Cgs和C3的值都很小，可忽略不计，则此时的Us比不加金属板时还要大，没有起到电屏蔽的作用。结论：只有屏蔽体良好接地才能有电屏蔽效果。,电场屏蔽设计要点1）加金属屏蔽体，且要有良好的接地。2）使相互耦合的两导体或两元器件相互远离以减少分布电容。3）正确选择接地点。4）合理设计屏蔽体形状。5）注意屏蔽体材料的选择。,电场屏蔽的结构1）减少盒盖与盒体间的接触电阻；2）采用双层屏蔽盖结构,3）在有隔板的屏蔽盒体内采用分开的屏蔽盖，以减少其间的寄生耦合。,4）变压器的初、次级绕组之间存在着较大的分布电容，若在两绕组间加一电屏蔽层并接地，可减少它们的寄生耦合。通常绕组间越过屏蔽层还有剩余电容C，要取得好的屏蔽效果，应使C尽量小。故可以从屏蔽层的结构上采取一些措施，如带状屏蔽、双重屏蔽等。,磁场屏蔽,低频磁场屏蔽：原理当频率低于100kHz时：1）屏蔽体：常采用高磁导率的铁氧体材料。2）原理：利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。由于铁磁材料的磁导率比空气的磁导率大得多，所以铁磁材料的磁阻很小。将铁磁材料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大为减小，从而起到磁场屏蔽作用。,磁场屏蔽结构磁场屏蔽是通过屏蔽体的高磁导性能，即低磁阻来实现的。如图所示，线圈是一个干扰源，所产生的磁力线主要沿屏蔽罩通过，从而使线圈周围的电路或元件不受线圈磁场的影响。,如图所示，当线圈是一个受感器时，外界磁场将被屏蔽隔离，从而使线圈不受外部磁场的影响。屏蔽体的磁导率越高，屏蔽层越厚，磁屏蔽的效果就越好，但是，在垂直于磁力线的方向上，不应出现缝隙，否则磁阻增大，将使屏蔽效果变差。,磁屏蔽体结构要点1）用铁磁材料做的屏蔽罩，在垂直于磁力线方向不应开口或有缝隙。2）选用高磁导率材料，并要使屏蔽罩有足够的厚度，有时需要采用多层屏蔽。3）由于高频时铁磁材料中的磁性损耗很大，故铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场屏蔽。,高频磁场的屏蔽：原理对于高频磁场：1）屏蔽体：低电阻率的良好导体材料。2）原理：利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽目的，即利用了涡流反磁场对于原干扰磁场的排斥作用。,如图，当干扰体所产生的当高频磁场穿过金属板时，会在金属板上感应电动势从而在板上产生涡流，此涡流产生的反向磁场将抵消穿过金属板的原磁场，从而导致高频磁场的磁力线在金属板旁绕行而过。这就是感应涡流产生的反磁场对原磁场的排斥作用。,如果将屏蔽体看作是匝数为1的线圈,其中涡流电流为is，流过干扰体线圈的电流为ic,则在高频情况下，有Rs,于是即和频率无关。而低频情况下，有：即在低频时流经屏蔽体的电流与频率成正比。故这种方法在低频时不是很有效。,高频磁场屏蔽结构,磁屏蔽体的结构要点1）高频的屏蔽材料需要用良导体材料，常用铝、铜及铜镀银等；2）由于高频电流的集肤效应，高频屏蔽盒无需做得很厚，一般取0.20.8mm。3）屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有开口或缝隙；4）磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。但如果将金属导电材料做的屏蔽盒接地，则它就同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用。,电磁场屏蔽,通常所说的屏蔽，一般是指电磁场屏蔽。电磁场屏蔽，通常是指对电场和高频磁场同时加以屏蔽。其原理可以根据电磁波在不同传播介质的内部及分界面传输时产生的反射与衰减来分析。,一厚度为t的无限大金属板将空间分为两部分，入射场在左部，电磁波自左向右传播至板的左表面，在板的表面产生反射，即反射波。另一部分电磁波射入金属内部，经过金属板厚度t后，由于金属对电磁波的吸收，场强减弱。到达右板面的电磁波，又有一部分反射回金属，另一部分穿过右界面向右继续传播。,电磁波经过金属板时，通过反射、吸收，场强逐渐减弱。金属板的屏蔽作用是由左界面的反射、金属中的吸收和右界面的反射等3部分组成的。,电磁屏蔽的结构1）电磁屏蔽可采用板状、盒状、筒状、柱状的屏蔽体。2）当需要屏蔽的电磁场频率接近并等于屏蔽体的某一固有频率时，屏效将急剧降低。为避免结构设计不当造成的谐振现象的屏蔽，应改进屏蔽体的形状或尺寸。3）在屏蔽要求很高时，可采用双层屏蔽。,屏蔽效能,定义屏蔽效能S就是屏蔽前后空间同一点的场强之比。通常用分贝dB或奈培NP来表示,金属板的电磁屏蔽效能通过屏蔽原理的分析，得知金属板总的电磁屏蔽效能S为吸收损耗的衰减A、表面反射损耗的衰减R及金属板内部多次反射损耗的衰减B之和。即：（倍）或者表示为（dB）实际应用中，通常B可以忽略。,孔缝屏蔽,电磁泄漏尽管无缝屏蔽体能够产生很好的屏蔽效果，但实际的屏蔽体通常由于某些要求，其上面一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝，如通风孔、导线进出孔和各种接头等，这些孔缝会造成电磁场的泄漏，对于屏蔽体的屏效起着重要的影响作用，因此必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏。,防止缝隙泄漏1）当屏蔽体上有缝隙时，磁场泄漏的影响比电场泄漏的影响大，因此，采用磁场泄漏抑制的方法也更适用于电场泄漏的抑制。2）电磁泄漏的大小与缝隙的深度和大小有关，即缝隙越窄越深，电磁泄漏就越小。,接缝泄漏的抑制方法1）增加金属之间的搭接面积不同部分的结合处构成的缝隙是一条细长的开口。结合处的阻抗可以等效为电阻和电容并联。由于当容抗较低时，屏蔽效能较高。增加金属之间的搭接面积可以减小阻抗，从而减小泄漏，增强屏蔽效果。,2）增加缝隙深度为减少漏磁，应使缝隙数量最小，且尽量减少缝隙的大小，增大缝隙的深度。如图，给出了增加缝隙深度的两种结构。,3）装配面处加入电磁密封衬垫在缝隙处可装导电的弹性衬垫，由于密封衬垫必须具有足够的形变量才能提供足够的屏蔽效能。故必须保证衬垫上有足够的接触压力。压力太小，会降低屏蔽效能，压力过大会造成衬垫的损坏。电磁密封衬垫的两个基本特性是导电性和弹性。常用的衬垫有橡胶芯金属丝网衬垫、导电橡胶、梳状指形簧片等。电磁密封衬垫必须具有较好的抗腐蚀性。,防止孔洞泄漏由于通风散热等需要，屏蔽体上往往要开一定数量的孔或洞，造成电磁泄漏。为减少泄漏，应尽量少开孔，开小孔。当孔的面积相等时，正方形孔比圆孔泄漏大，长方形孔比正方形孔泄漏大。,通风孔泄漏的抑制1）覆盖金属丝网将金属丝网覆盖在大面积的通风孔上，能显著地防止电磁泄漏。金属丝网的屏蔽性能与网丝直径、网孔疏密程度、网丝交点处的焊接质量及网丝材料的导电率有关。金属网的网孔越小，金属丝导电性越好，屏蔽效果越好。,2）穿孔金属板一般而言，孔洞尺寸愈大，电磁泄漏也就愈大，为了提高屏蔽效能，可在满足屏蔽体通风量要求的条件下，以多个小孔代替大孔，即采用穿孔金属板。穿孔金属板通常有两种结构形式：一种直接在机箱或屏蔽体上打孔；另一种是单独制成穿孔金属板，然后安装到机箱的通风孔上。,3）截止波导式通风孔金属丝网和穿孔金属板在频率大于100MHz时，其屏效将大为降低。因此在高频段，可采用截止波导通风孔阵的结构。其优点：工作频带宽对空气的阻力小机械强度高。金属波导孔通常有：圆波导、六角形波导和矩形波导的结构。,导线的屏蔽,同轴电缆对于导线的屏蔽，通常在其外面套上一层金属丝编织网，做为屏蔽层。如图：中心导线称为芯线，套在外表面的金属网称为屏蔽层，芯线与屏蔽层之间有绝缘材料。该导线统称为同轴电缆。,高频、高电平线的屏蔽,电场屏蔽将导线的屏蔽层一端接地，使电场被限制在屏蔽层内部，就可以达到电场屏蔽的效果。但仅将屏蔽层一端接地，并不能实现磁屏蔽。,磁场屏蔽如果使屏蔽层内流过一个电流，使其与芯线电流大小相等，方向相反，则屏蔽层中的电流就会感应出一个外部磁场，该磁场与芯线所产生的磁场大小相等方向相反，从而两个磁场相互抵消，其结果是在屏蔽层外部没有磁场辐射，起到了磁场屏蔽的作用。,通过上面的分析可知，要实现导线的磁场屏蔽，应使屏蔽层能够提供一个回路电流，因此我们可以采用以下的接线方式：,高频、低电平线的屏蔽,当导线作为接收器，为避免其受到电磁干扰而进行屏蔽时，主要是