印制電路板中電磁屏蔽技術的應用

劉昕卓， 駱 楓， 楊顯清， 王 園

（1.電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731；2.四川大學化學工程學院，四川 成都 610064）

0 引言

隨著電子科學技術的發展以及印制電路板（printed circuit board，PCB）的大量使用，高頻諧波對電子產品和設備造成的電磁兼容問題越來越嚴重。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產品的小型化以及高度集成化和高速高頻化設計，使得PCB產品的電磁兼容性設計變得越來越重要。PCB產品電磁兼容性能的高低，已經成為衡量PCB產品與系統質量的一個重要指標[1-2]。

1 電磁屏蔽技術

隨著PCB產品工作頻率的升高，其電磁輻射能力也逐漸增強，產生輻射電磁場，轉化為遠場電磁干擾。遠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PCB產品工作頻率很高時，其內部也可能產生遠場的電磁干擾，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行屏蔽。對于頻率較高的干擾電壓，選擇良導體制作屏蔽體，且能良好地接地，則可起到對電場和磁場同時進行屏蔽。但是，對高頻磁場屏蔽的渦流不僅對外來干擾產生抵制作用，同時還可能對被屏蔽體保護的設備內部帶來不利的影響，從而產生新的干擾[3]。

屏蔽效能是指在有屏蔽體時，被屏蔽空間內某點的場強與沒有屏蔽體時該點場強的比值，如式（1）所示。

其中：Eb——被屏蔽空間內某點的場強；

Ea——沒有屏蔽體時該點場強。

2 EMC參考標準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標準將作為測試的參考標準[4]。CISPR-22標準是信息技術設備的發射要求，它與EN55022要求是一致的。按照產品種類分為CLASS A產品與CLASS B產品兩種類別，其中CLASS A產品主要是指工作在工業環境的產品，而CLASS B主要是指用于家庭環境中的產品。所以，CLASS B的要求要比CLASS A的要求嚴格一些，如表1所示。

表1 CISPR-22參考標準

由于所測試的PCB產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測試距離的結果。

3 實際屏蔽技術的應用

采用10 m電波暗室對某款PCB產品進行輻射發射（RE）測試[5-8]，測試環境及測試配置如圖1所示。通過屏蔽技術的應用，對某款PCB做了改進，并且進行2次輻射發射測試，其PCB產品的結構如圖2所示。該次測試是基于CISPR-22 CLASS B標準要求，測試所采用的天線為雙極子天線。

圖1 輻射發射的測試環境和配置

圖2 所測試PCB產品的結構圖

測試配置同樣也是測試過程關鍵的步驟，它直接導致實驗結果的準確性。在測試之前，確認儀器的連通性和準確性。

測試中所用到的PCB產品是某款民用產品，其PCB的部分實物結構如圖2所示，芯片的位置以及PCB的大體結構清晰可見，PCB的尺寸為7mm×5.2mm。

對該PCB產品按照CISPR-22 CLASS B要求做10m電波暗室的輻射發射測試，其電場分布圖如圖3所示，特定測試點的參數值如表2所示，整個測試過程中都采用準峰值（QP）檢波。

圖3 改進前的EMI測試圖

表2 （a）改進前水平極化特定點的參數值列表

表2 （b）改進前垂直極化特定點的參數值列表

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

通過測試發現，偶極子水平極化測試時，在100～170MHz之間，超過限值的頻率點較為集中，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走線產生的差模電流形成的輻射環路造成。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。另外，電容、電感的使用導致接地不良，導致電容、電感與地平面之間呈現高阻抗，產生干擾的輻射。

根據該PCB的設計參數，產品的諧振頻率在40MHz，所以在諧振頻率的倍頻，如 80，120，160 MHz等，都有可能導致產品的輻射泄漏，對外部環境電磁干擾，與上述出現的輻射遺漏頻率點大體一致。

根據電磁屏蔽設計的“拇指法則”，當屏蔽罩的諧振頻率保證遠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PCB產品順利通過CISPR-22 CLASS B要求，采用屏蔽技術將輻射環路切斷，并且將芯片管腳近距離接地，盡可能降低管腳所呈現的阻抗。根據上述測試過程再次對該產品進行輻射發射測試，其測試出來的電場分布圖如圖5所示，特定點的參數值如表3所示。屏蔽罩的尺寸為5.8 mm×2.1mm×2mm。

圖5 改進后的EMI測試圖

表3 （a）改進后水平極化特定點的參數值列表

表3 （b）改進后垂直極化特定點的參數值列表

可以近似利用計算內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，達到屏蔽標準。

對比發現，經添加屏蔽體，該產品順利通過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]，否則對測試結果有影響，甚至直接導致屏蔽體起不了作用且使得整個測試過程進一步難解。

結合屏蔽效能的定義，容易計算出不同頻率點的屏蔽效能。通過屏蔽體的添加結合所測電場的大小，可以估算整個測試頻段的平均屏蔽效能大約為10dB，這樣看來屏蔽技術對該PCB產品的質量改進起到了至關重要的作用。

4 結束語

通過對某款PCB產品的10m電波暗室輻射發射的測試，對測試結果做了詳細的波形分析并且給出了解決方案。即采用電磁屏蔽技術對該產品進行EMC改進，順利通過CISPR-22 CLASS B要求，最后結合屏蔽效能（SE）的定義將整個測試頻段的屏蔽效能估算出來，結果較為滿意。

實際上，在PCB的應用中，電源的干擾也應該考慮在其中。通過該次測試后發現，所測PCB產品的電源不是影響周圍電磁環境的主要因素，所以在考慮電磁屏蔽時沒把電源的屏蔽作為考慮對象。由于現在PCB的大量使用以及PCB的復雜化，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對PCB產品的改進有一定的局限性，應結合現在高速PCB的應用，繼續對PCB的信號完整性問題進行更深入的研究。

[1]Montrose M L.電磁兼容的印制電路板設計[M].呂英華，譯.北京：機械工業出版社，2008.

[2]邵小桃.電磁兼容與PCB設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[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用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[6]鄭軍奇.EMC設計與測試案例分析[M].北京：電子工業出版社，2006.

[7]李舜陽.電磁兼容設計與測量技術[M].北京：中國標準出版社，2009.

[8]闞潤田.電磁兼容測試技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[9]高攸綱.屏蔽與接地[M].北京：北京郵電大學出版社，2004.