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电子机箱设计的重要措施——电磁屏蔽

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电子机箱是对辐射电磁干扰的最后防线,往往决定了电子设备是否满足性能要求。同时一个屏蔽机箱还应当用具有所需物理量及电特性的材料制成,应具有抵抗环境条件的能力。
对于电子机箱的电磁屏蔽设计,主要从以下几个方面考虑。
一、材料的选择和屏蔽机箱的设计。对于钣金机箱用于电磁屏蔽的机箱材料的电导率、磁通率越高,屏蔽效果越好,但材料的选用还受到强度、重量、散热性、工艺性等因素的制约。当屏蔽效果不太好时,可考虑对其进行表面处理。在屏蔽机箱设计时,应使机箱有足够的厚度以增大磁路横切面积,增加屏蔽效果;同时在垂直于磁通方向不能开口,以免增大磁阻。
二、环境密封。通常选用EMI衬垫既满足环境密封要求,即防尘、防潮和气密,又能起到电磁屏蔽的作用。
    对于薄钣金机箱,常采用平的或条状的EMI衬垫与压缩性较好的海绵橡胶制作在一起的结构形式。对于其它的要求用较大压力压紧密封的机箱,常采用压缩纤维结构,将EMI衬垫设计在机箱结构中或嵌入到橡胶中,对机箱内外不同压力的密封通常采用将衬垫嵌入机箱凹槽中的设计方案,这对超高高频屏蔽亦有效。
三、腐蚀。必须使用与机箱材料电化学兼容且具有高导电性的抗腐蚀屏蔽材料和对机箱材料进行表面处理,子啊需要选用不兼容的金属时,下面经验可保证兼容性。
a.在钢制螺栓与铝接触采用局部电镀。
b.在需要可靠的电接触处采用局部电镀。
c.设计时确保阳极面积小于阴极金属面积。
四、机箱要良好接地。仪器机箱接地有2个重要作用:一是接地能使屏蔽具有较好效果,二是消除静电影响。电磁噪声或电磁干扰引起的故障,大多数出自机壳地、工作地线路的电位波动。降低机壳地、工作地线路阻抗,对于抗脉冲噪声和静电放电都有利。在进行接地系统设计和实施接地时需注意以下几点:
(1)接地的好坏取决于搭接的好坏,两接地点间的电位差或由于磁通变动会使基准电位变化。
(2)所有的接地都必须避免公共阻抗传导耦合、高阻抗的地回路和危险的工作条件(由于接地故障可能造成危险)。
(3)接地线应尽可能粗、短,并直接搭接到接地板,目的是尽量减少地回路的阻抗,避免因频率增高造成感抗增大。在低频设备中避免形成接地环路尤其重要。因为地环路中有信号电流时,接地线路阻抗使基准电位变化。
(4)f<1MHz,可采用单点接地方式,并按信号地线(低电平电路)、噪声地线(继电器、高功率电路等)、设备地线(机箱、机壳、机架)分组;f>10MHz,应用多点接地方式;1MHz,若用一点接地,地线长度不得大于1/20波长,否则应使用多点接地。
(5)对于复杂的电子设备,复合型接地方案比较适用。采用复合式接地方案时,机架上必须设定明确的汇接点,汇接点必须是半径至少为10mm的洁净金属面。
(6)机架的地线噪声非常大,不能靠滑轨、铰链等部件去接地。在机壳或机架上应有接地螺栓和明显的接地标志,接地螺栓的参考尺寸为M8。

五、机箱上通风孔的屏蔽。为了满足被屏蔽对象(设备、组件等)的通风散热要求,必须在屏蔽体上开通风孔。孔的泄漏与多种因素有关,如离开场源的距离、电磁场的频率、开孔的面积和开孔的形状等。对于某一具体场源而言,泄漏将随孔的面积增加而增加,在开孔面积相同的情况下,长方形的孔比正方形的泄漏大,正方形的孔比圆孔泄漏大。一般在不同的频率要求下,屏蔽效能的高低,采用的结构形式不同。
(1)通风孔覆盖金属丝网。采用环形压圈通过紧固螺钉把金属丝网安装在屏蔽体的通风孔上。如果网孔密、网丝粗及网丝的导电性能好,则金属丝网的屏蔽效能就高。一般在100kHz到100MHz的频段内,铜网有较高的屏蔽效能,如果采用双层铜网,中间处加防尘材料进行滤尘,则屏蔽效能可更高。周边可安装橡胶密封卷曲螺旋组合衬垫,亦可使金属丝网与屏蔽体之间获得良好的电接触。
(2)穿孔金属板作通风孔。当工作频率比较低,对屏蔽效能要求不甚高时,用许多小孔代替大口径的通风孔是提高屏蔽体屏蔽效能的有效方法,它可以直接在屏蔽体上开许多小孔进行通风散热。与金属丝网相比,其特点是屏蔽性能稳定,因为它不存在金属丝网固有的网丝交叉点接触电阻不稳定的问题,具有结构与工艺简单,成本低等优点。在设计通风孔的孔径、孔间距与屏蔽效能的关系上,实践经验数据为:通风孔直径为4mm,间距为5mm以行列对齐的阵列圆孔。
(3)用截止波导式通风窗。频率高于100MHz时,金属丝网和穿孔金属板的屏蔽效能显著下降,特别是当孔眼尺寸与电磁波波长可比拟时,则孔眼将引起严重的泄漏。在甚高频以上,若既要有高屏蔽效能,又要通风良好,可采用截止波导式通风孔板(如蜂窝状通风孔板)。
六、机箱上缝隙的屏蔽处理。机箱上的缝隙引起电磁的泄漏,缝隙越长,泄漏越多,设计时主要考虑:①减少缝隙数量。采用合理的结构使缝隙数量最小。②增加缝隙深度。增加缝隙深度可增大缝隙的传输损耗。③减少缝隙长度。通过增加镖钉数量可以减少电磁的泄漏。④改变缝隙的形式。如将平缝改为坡缝,可增大电磁波的反射损耗和传输损耗。⑤用导电垫代替普通垫。导电垫的变形量控制在15%左右,可发挥较好作用。


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