印制电路板中电磁屏蔽技术的应用

刘昕卓， 骆 枫， 杨显清， 王 园

（1.电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731；2.四川大学化学工程学院，四川 成都 610064）

0 引言

随着电子科学技术的发展以及印制电路板（printed circuit board，PCB）的大量使用，高频谐波对电子产品和设备造成的电磁兼容问题越来越严重。由于PCB上的电子器件集成度越来越大，走线越来越窄，工作频率也越来越高，不可避免地引入了电磁兼容（EMC）的问题。PCB产品的小型化以及高度集成化和高速高频化设计，使得PCB产品的电磁兼容性设计变得越来越重要。PCB产品电磁兼容性能的高低，已经成为衡量PCB产品与系统质量的一个重要指标[1-2]。

1 电磁屏蔽技术

随着PCB产品工作频率的升高，其电磁辐射能力也逐渐增强，产生辐射电磁场，转化为远场电磁干扰。远场中的电场和磁场都不能被忽略，所以要考虑同时对电场和磁场屏蔽即电磁屏蔽。当PCB产品工作频率很高时，其内部也可能产生远场的电磁干扰，因此需要电磁屏蔽。

电磁屏蔽是抑制PCB电磁干扰的重要手段之一。它利用屏蔽体对电场和磁场同时加以屏蔽，一般用来对高频电磁场进行屏蔽。对于频率较高的干扰电压，选择良导体制作屏蔽体，且能良好地接地，则可起到对电场和磁场同时进行屏蔽。但是，对高频磁场屏蔽的涡流不仅对外来干扰产生抵制作用，同时还可能对被屏蔽体保护的设备内部带来不利的影响，从而产生新的干扰[3]。

屏蔽效能是指在有屏蔽体时，被屏蔽空间内某点的场强与没有屏蔽体时该点场强的比值，如式（1）所示。

其中：Eb——被屏蔽空间内某点的场强；

Ea——没有屏蔽体时该点场强。

2 EMC参考标准CISPR-22介绍

在该文的测试中，国际电工委员会（IEC）所出版的CISPR-22标准将作为测试的参考标准[4]。CISPR-22标准是信息技术设备的发射要求，它与EN55022要求是一致的。按照产品种类分为CLASS A产品与CLASS B产品两种类别，其中CLASS A产品主要是指工作在工业环境的产品，而CLASS B主要是指用于家庭环境中的产品。所以，CLASS B的要求要比CLASS A的要求严格一些，如表1所示。

表1 CISPR-22参考标准

由于所测试的PCB产品是家庭中使用的民品，所以主要参考CLASS B来做为参考，并且主要讨论10m测试距离的结果。

3 实际屏蔽技术的应用

采用10 m电波暗室对某款PCB产品进行辐射发射（RE）测试[5-8]，测试环境及测试配置如图1所示。通过屏蔽技术的应用，对某款PCB做了改进，并且进行2次辐射发射测试，其PCB产品的结构如图2所示。该次测试是基于CISPR-22 CLASS B标准要求，测试所采用的天线为双极子天线。

图1 辐射发射的测试环境和配置

图2 所测试PCB产品的结构图

测试配置同样也是测试过程关键的步骤，它直接导致实验结果的准确性。在测试之前，确认仪器的连通性和准确性。

测试中所用到的PCB产品是某款民用产品，其PCB的部分实物结构如图2所示，芯片的位置以及PCB的大体结构清晰可见，PCB的尺寸为7mm×5.2mm。

对该PCB产品按照CISPR-22 CLASS B要求做10m电波暗室的辐射发射测试，其电场分布图如图3所示，特定测试点的参数值如表2所示，整个测试过程中都采用准峰值（QP）检波。

图3 改进前的EMI测试图

表2 （a）改进前水平极化特定点的参数值列表

表2 （b）改进前垂直极化特定点的参数值列表

辐射发射（RE）测试，是测量受试设备（EUT）通过空间传播的辐射骚扰场强。根据CISPR-22 CLASS B的要求，这里主要讨论电场远场的测试。

通过测试发现，偶极子水平极化测试时，在100～170MHz之间，超过限值的频率点较为集中，图形较为对称，且频率较高。初步分析不是电源所致，而是芯片以外的部分电容、电感大量使用，以及PCB走线产生的差模电流形成的辐射环路造成。而对于垂直极化测试时在170MHz以下都存在集中超过限值的频率，初步断定可能与芯片接地不良有关。另外，电容、电感的使用导致接地不良，导致电容、电感与地平面之间呈现高阻抗，产生干扰的辐射。

根据该PCB的设计参数，产品的谐振频率在40MHz，所以在谐振频率的倍频，如 80，120，160 MHz等，都有可能导致产品的辐射泄漏，对外部环境电磁干扰，与上述出现的辐射遗漏频率点大体一致。

根据电磁屏蔽设计的“拇指法则”，当屏蔽罩的谐振频率保证远大于辐射源的谐振频率，即fs＞＞fr，一般取5～10倍。

图4 加屏蔽体后所测PCB的实体

使用的屏蔽罩上壳材料为不锈钢SUS301，下壳材料为洋白铜CU-C7521，都为良性导体材料，其面上有小尺寸的通孔，是起散热的作用，这个通孔要尽可能小，以免内部辐射通过其泄漏出来。屏蔽体的位置以及装配图如图4所示。

为使该PCB产品顺利通过CISPR-22 CLASS B要求，采用屏蔽技术将辐射环路切断，并且将芯片管脚近距离接地，尽可能降低管脚所呈现的阻抗。根据上述测试过程再次对该产品进行辐射发射测试，其测试出来的电场分布图如图5所示，特定点的参数值如表3所示。屏蔽罩的尺寸为5.8 mm×2.1mm×2mm。

图5 改进后的EMI测试图

表3 （a）改进后水平极化特定点的参数值列表

表3 （b）改进后垂直极化特定点的参数值列表

可以近似利用计算内部填充空气的谐振腔的谐振频率，如式（2）所示，其中对于TE波m和n可以为零，但不能同时为零，且p可以为零；对于TM波m和n不能为零，而p可以为零。

通过估算，该谐振腔的谐振频率在1GHz以上，完全满足fs＞＞fr的要求，达到屏蔽标准。

对比发现，经添加屏蔽体，该产品顺利通过CISPR-22 CLASS B要求的测试，在此注意添加屏蔽体时要保证屏蔽体接地良好[9]，否则对测试结果有影响，甚至直接导致屏蔽体起不了作用且使得整个测试过程进一步难解。

结合屏蔽效能的定义，容易计算出不同频率点的屏蔽效能。通过屏蔽体的添加结合所测电场的大小，可以估算整个测试频段的平均屏蔽效能大约为10dB，这样看来屏蔽技术对该PCB产品的质量改进起到了至关重要的作用。

4 结束语

通过对某款PCB产品的10m电波暗室辐射发射的测试，对测试结果做了详细的波形分析并且给出了解决方案。即采用电磁屏蔽技术对该产品进行EMC改进，顺利通过CISPR-22 CLASS B要求，最后结合屏蔽效能（SE）的定义将整个测试频段的屏蔽效能估算出来，结果较为满意。

实际上，在PCB的应用中，电源的干扰也应该考虑在其中。通过该次测试后发现，所测PCB产品的电源不是影响周围电磁环境的主要因素，所以在考虑电磁屏蔽时没把电源的屏蔽作为考虑对象。由于现在PCB的大量使用以及PCB的复杂化，面临的EMC问题难度不断增加，所以该次测试以及利用电磁屏蔽技术对PCB产品的改进有一定的局限性，应结合现在高速PCB的应用，继续对PCB的信号完整性问题进行更深入的研究。

[1]Montrose M L.电磁兼容的印制电路板设计[M].吕英华，译.北京：机械工业出版社，2008.

[2]邵小桃.电磁兼容与PCB设计[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[4]IEC.CISPR 22，edition 5.2[S].Geneva：IEC Central Office，2006.

[5]赵阳.电磁兼容测试方法与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[6]郑军奇.EMC设计与测试案例分析[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7]李舜阳.电磁兼容设计与测量技术[M].北京：中国标准出版社，2009.

[8]阚润田.电磁兼容测试技术[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[9]高攸纲.屏蔽与接地[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.