电磁兼容与PCB设计

1 PCB层次上的屏蔽

1.1 PCB层次上的屏蔽

1.1.1 PCB上采取屏蔽措施的原因

(1) 在PCB上完成屏蔽不仅节约成本，而且体积小，重量也会最轻；在设备外壳上的屏蔽的花费将会10倍于PCB层次上的花费。

(2) 随着芯片体积的不断缩小，PCB上元器件的密集度越来越高，为了使一个产品获得良好的运行水平，不得不采取屏蔽措施。

(3) 当产品中有无线通信模块时，他会倾向于对产品中的其它敏感电路的干扰；另外，产品中的接收天线接近开关模式转换器和数字信号处理器这类躁扰电路时，也会影响无线通信。PCB上屏蔽技术在无线通信中是非常有价值的技术。

(4) 现在无线通信设备的天线多数安装在产品的内部，所以不能再外壳上屏蔽，取代的是PCB上的屏蔽。

(5) 产品的外壳由于安装了电缆连接器，可移动存储设备插座等被切割出许多孔隙，在PCB上的屏蔽可以降低外壳屏蔽的要求。

1.1.2 PCB上屏蔽综述

(1) 把一个五面体的导电屏蔽罩壳安置在PCB的一个电路区域上，通过PCB上的通孔在沿着它的周边，以多点电器搭接的方式搭接到PCB内的一个参考平面。这个内部参考平面为0V参考面，进入或离开屏蔽罩壳的印制线条要么加以屏蔽，要么加以滤波，屏蔽罩壳与PCB表面的狭长空隙需要使用导电密封衬垫连接。

上图

(2) 当使用通孔镀敷PCB结构时，在参考平面另一侧的通孔将延伸进屏蔽罩壳的内部，由于通孔周围的净空孔在参考平面上穿越将会降低屏蔽有效性。微化孔PCB技术在垂直PCB的方向上采用了并不穿越PCB的盲孔和埋孔的镀孔技术，从而使得无孔洞的参考面成为可能，它可以使PCB上下两个面的隔离程度非常高，从而获得极高的屏蔽有效性。

1.1.3 PCB上屏蔽罩壳的类型

(1) 传统上的屏蔽罩壳由镀锡钢板、黄铜或铜铍合金的金属薄板制成，围绕它的四周有多个插针，用于焊接到镀敷的通孔上。它们通常有一个带搭扣的盖子，可以打开对内部的元器件更换或测量。

(2) 近年来各种材料和尺寸的商品化表面安装屏蔽罩壳可以很容易的从市场上购得，其中包括不带移去盖子的金属屏蔽罩壳，这种罩壳具有较小的孔隙，屏蔽有效性较好。另外，塑料成型技术已经变成电磁兼容应用技术中一个相当活跃的研究和发展领域。压铸成型的屏蔽罩壳形成导电涂层的工艺是在塑料薄板上用银这样的导电印剂制成网状或整个平面，或者用其它金属形成一个平板导电层，然后将具有导电层的塑料薄板切割或热塑成所要求的形状。使用的印剂必须具有足够的抗拉伸度，以保证金属薄膜不会开裂。有些公司使用电镀金属的碳纤维代替使用导电涂层的塑料薄板。

1.1.4 PCB上屏蔽罩壳的固定和安装

(1) 传统：传统的通孔金属屏蔽罩壳只能使用手工焊接到PCB内部的地六个平面。

(2) 表面安装金属屏蔽罩壳是用自动回流焊装配工艺完成的，罩壳的表面通常会有许多一定模式的小孔，以帮助焊接过程中温度均衡。

(3) 导电密封衬垫可以与屏蔽罩壳一起使用，两面都具有导电胶的密封衬垫(以硅胶或环氧树脂作为基本材料)都可以用来使屏蔽罩壳保持在PCB上。非粘结剂的导电密封衬垫不需要沿着一个屏蔽罩壳的四周形成连续的搭接，非连续的、多点搭接也是常用的方法。

(4) 最新的很有吸引力的发展技术是“Gore屏蔽GS5200热和电气接地垫”，它不仅能提供对第六面参考面的搭接，而且还会帮助在屏蔽罩壳内部元器件的散热。 1.1.5 屏蔽罩壳的材料

(1) 传统上采用冲压成型、拉伸成型或折叠成型的金属薄板制成。

(2) 近年来屏蔽罩壳可以在塑料基板上印制导电油墨来形成，导电油墨印制成导电网，使用带有或不带有基板的金属网，还可以在塑料基板上沉积金属膜来形成。在采用网状屏蔽屏蔽的场合，网格的几何尺寸所决定的某个频率以上都会造成屏蔽有效性的下降，网格尺寸越大，屏蔽有效性越差。

(3) 挤压成型、钳夹型和焊接型的真空喷镀塑料屏蔽罩壳(导电材料基本材料是锡和铝)，这种屏蔽罩壳对环境的影响较小。

1.1.6 屏蔽罩壳上的孔洞和缝隙

(1) 产生孔洞的原因：折叠金属结构中的缝隙、用于对屏蔽罩壳内的原件调节预留的小孔、防止焊接爆裂的预留孔、屏蔽罩壳主体与第六面的PCB参考平面之间电器搭接间的间隔以及环绕通孔周围的净空孔。

(4) 由屏蔽罩壳与PCB内电层之间的孔隙部分会暴漏在PCB表面上部的空气中，部分处于PCB内，在最差的情况下，最好保守地假定这样的孔隙全部处于PCB材料中。为了消除多点搭接形成的孔隙，可以使用导电密封衬垫和导电胶连接PCB和屏蔽罩壳。这样密封衬垫和PCB之间不会存在孔隙，但仍然面临密封衬垫与参考面之间的缝隙。

1.1.7 截止频率下的波导技术

以上所讨论的孔隙都是假定屏蔽材料的厚度与他们的长度和宽度相比是可以忽略不计的情况。当一个孔隙的长度和宽度小于一个波长的1/10的场合，增加屏蔽罩壳和密封衬垫的厚度将降低孔隙的泄漏，改善屏蔽有效性。当孔隙本身的厚度与孔隙对角线或直径尺寸相比拟时，屏蔽有效性的改善会明显的增加。在GHz的频率上，空气中波导的截止频率由150/g给出，PCB中波导的截止频率由70/g给出。是孔洞的最长尺寸(对角线或直径)，单位是mm，一个频率仅为截止频率的60%以下，截止频率下波导的衰减估算值约为27d/g(dB)，d是波导深度也即是隔离线条的宽度或屏蔽罩壳的厚度。在截止频率以下的波导中不允许存在任何导体，否则该导体将会降低屏蔽有效性。

PCB中波长的计算：一个频率为f的信号，在空气中传播时波长λ为300/f，(波长单位是mm，频率单位是GHz)，在PCB中的波长大约是空气中的波长的一半为150/f。

屏蔽罩壳上一个面上的孔隙数目加倍时，在垂直于该表面方向上屏蔽有效性下降约6dB。

举例：边长为50mm的正方形，要求3GHz时，屏蔽有效性不低于20dB。

λ空气=300/f=300/3GHz=100mm，

λPCB=50mm，

λPCB/100=0.5mm，存在有一个直径0.5mm的孔洞是可获得34dB的屏蔽有效性。

应为孔洞的数量增加一倍，屏蔽有效性降低6dB。存在有8个这样的孔洞时，屏蔽有效性会低于20dB，甚至会使屏蔽有效性降为0。即使加上导电密封衬垫，密封衬垫与参考平面的狭长孔隙在50mm的四个边上会形成远远多于8个孔洞。所以只有考虑使用截止频率下的波导技术。假设孔洞的最大尺寸为2mm。

波导截止频率75/g=75/2mm=37.5GHz

37.5GHz×60%=22.5GHz，大于3GHz。当密封衬垫与参考面有2mm的重叠时，也就是隔离线条的宽度或屏蔽罩壳的厚度为。屏蔽有效性为：

27d/g=27×6/2=81dB

81dB-34dB=47dB

与20dB的屏蔽有效性，这是一个很好的数值。

1.1.8 近场对屏蔽的影响

当孔隙处于源的近场区域时，屏蔽有效性的值将会远小于假定在远场条件下计算出来的值。为了决定近场屏蔽有效性要求使用计算机模拟得出，为了减小近场的影响应该遵循3个原则：

(1) 假如要求一个器件或线条的屏蔽有效性超过40dB的话，要求元器件或线条与屏蔽罩壳之间的间距远大于2L，这里的L是屏蔽罩壳上孔隙的最大尺寸。

(2) 使所有的孔隙尺寸最小化。

(3) 保持孔隙之间的相互间隔距离尽可能地远。

为了达到最佳PCB屏蔽效果，应该使用微化孔PCB技术代替通孔镀敷PCB技术。

1.1.9 空腔谐振

假如某些频率的半波长的整数倍正好等于屏蔽罩壳相对的两个边之间的距离时，在一个屏蔽罩壳形成的空腔内可发生谐振。最低频率的计算公式如下：

f=150/L或f=150/W，L、W分别为空腔尺寸的长和宽。

空腔谐振的危害：会引起屏蔽罩壳所覆盖的电路之间耦合度的增加，屏蔽罩壳的屏蔽有效性也会降低。

降低空腔谐振的办法：

(1) 使用几何长度和宽度要比所关心最高频率的半波长小得多的屏蔽罩壳，这可以提高空腔谐振的最低谐振频率。将一个屏蔽罩壳内部再分割若干个较小的屏蔽舱，不仅提高谐振频率，还可以降低电路间的串扰。

(2) 避免使用屏蔽罩壳的长度、宽度和高度有着简单比例的关系。当半波长的整数倍正好等于相对的两个边之间的距离的公倍数时，会产生更大频率的空腔谐振。理想情况下长宽高的比例应该是无理数比如黄金分割。

(3) 可以使用微波吸收材料，这类材料掺有铁氧体颗粒的合成橡胶，一般厚度为1~2mm，用黏结剂粘贴在屏蔽罩壳的内表面，作用是将磁场能转换为热，从而吸收掉屏蔽罩壳内潜在形成的谐振磁场和电场。

1.2 互连接和屏蔽

(1) 线条的屏蔽：要使屏蔽有效性不降低，对于进出屏蔽罩壳的导线要么加以屏蔽，要么进行滤波，或同时使用这两种技术。对导体进行屏蔽采取的办法是沿着它的屏蔽导体的全周长与它所穿越的屏蔽体的隔离壁完成360°的电气搭接。由于屏蔽罩壳的四周是通过通孔固定在PCB的参考面上的，所以也就完成了对线条的屏蔽，需要强调，通孔必须是镀敷孔，通孔间隔距离不大于λ/30为原则，越靠近线条的两侧效果就越好。

(2) 电缆的屏蔽：一根屏蔽电缆进出PCB屏蔽罩壳的情况下，它的连接器或衬片必须与屏蔽罩壳上沿着穿越该屏蔽电缆的孔的四周形成电气搭接，而且还要沿着电缆屏蔽导体的周长完成360°电气搭接。

(3) 在一个导体已经是滤波导体的场合，滤波器的中心位置必须与导体穿越屏蔽体的穿越点对其。导体的输入和输出端分别对称地处于屏蔽壁的两侧。滤波器的地位于导体穿越点的屏蔽表面上并要求使用表面安装的馈通滤波器，每个馈通滤波器必须安置在它两边通孔的中心位置，也就是通孔对称地位于它的两侧。

(4) 一个器件诸如A/D转换器、光耦合器、共模扼流圈或滤波器阵列穿越屏蔽区域边界，要是所有输入插针位于一侧，输出插针位于另一侧，滤波器以骑跨的方式安装在0V隔离线条上，屏蔽罩壳的屏蔽壁上要开有“鼠洞”，以便器件穿出。选择器件时，插针的排列方式要重点考虑。

1.3 屏蔽和散热技术的结合

可以把散热器的金属基极作为屏蔽罩壳的盖子，此时屏蔽罩壳本身只是四面屏蔽壁而已。散热器的基极要具有高电导率，而且要避免接触面出现锈蚀导致电气搭接失败。

2 PCB层次上的滤波

2.1 PCB层次上滤波技术的综述

单根信号线滤波器的基本类型有：

(1) 串联电阻或串联电感。

(2) 旁路电容。

(3) 电阻性T型（RCR）或电感性T型（LCL）。

(4) 电容电阻（CR）或电容电感（CL）。

(5) 电阻π型（CRC）或电感π（CLC）。

当要完成滤波的频率超过几个MHz时，一半使用软性铁氧体控制器来代替电感；当频率范围为1MHz~1GHz时绕在一个软铁氧体心上的CM扼流圈所提供的射频共模噪声的衰减一般都会优于一排单个的软铁氧体。PCB布局时，最好选用可容纳多导体的共模扼流圈来代替一排导体或铁氧体心，必要时甚至采用两次衰减，比如一排电阻加上一排铁氧体。

2.2 高性能的滤波需要完整的RF参考面

一个完整的实心的内部金属参考面也为滤波提供了一个高质量的RF参考面，没有这样的一个参考面存在，滤波性能将会受到影响。

2.3 单级低功率和信号滤波器设计

相互连接的设备的所有组成部件中，在没有采用良好的金属平板作为参考的场合，对一个非屏蔽离板连接器/电缆进行滤波的最佳选择是使用一个串联电阻或软铁氧体抑制器来作为它离板前的最后元器件。