機(jī)箱屏蔽
關(guān)注創(chuàng)建者：上海安世亞太 創(chuàng)建時(shí)間：2021-10-29
機(jī)箱屏蔽的實(shí)例教程
作者 | 付強(qiáng)
來源 | 本文為老貓電磁館原創(chuàng)作品，上海安世亞太授權(quán)轉(zhuǎn)載
前言
機(jī)箱是容納電子設(shè)備各種功能模塊、電子部件的常用載體，電磁屏蔽效能是其重要的技術(shù)指標(biāo)，電磁屏蔽效能越好，一方面可以使得機(jī)箱內(nèi)部的功能模塊或電子部件對外輻射發(fā)射更小，另一方面也使得其內(nèi)部的功能模塊或電子部件受外部電磁環(huán)境的影響更小。通過電磁仿真軟件對機(jī)箱的屏蔽效能進(jìn)行評估，相對于實(shí)物測試而言，既可以降低機(jī)箱類產(chǎn)品的測試成本，又可以縮短反復(fù)驗(yàn)證帶來的開發(fā)周期。
本案例基于ANSYS HFSS對帶有縫隙的機(jī)箱屏蔽效能進(jìn)行仿真分析，并將針對機(jī)箱縫隙介紹三種不同的建模方式：實(shí)物建模、理想電邊界+理想磁邊界等效建模、阻抗邊界條件等效建模。
1 機(jī)箱模型
1.1 機(jī)箱主體結(jié)構(gòu)
如圖1所示，機(jī)箱主體結(jié)構(gòu)的長×寬×高=30.1×30.04×20.1 (mm)，壁厚0.05mm，材質(zhì)為鋁(Aluminum)開口位于機(jī)箱前方中心，長×寬=20×10 (mm)。
【注】縫隙模型的處理有3種方式，實(shí)體建模、PE+PH邊界條件等效和阻抗邊界等效，以下分別介紹3種方式的建模方法。后續(xù)則在不同仿真設(shè)計(jì)中，分別利用3種縫隙模型進(jìn)行求解分析。
圖1 機(jī)箱主體結(jié)構(gòu)
1.2 實(shí)體縫隙模型
如圖2所示，實(shí)體縫隙模型位于機(jī)箱前方開口處，縫隙外觀的長×寬=20×10 (mm)，厚為0.05mm，材質(zhì)為鋁(Aluminum)。縫隙由4×10個(gè)小孔掏空構(gòu)成且均勻分布，小孔長×寬=4.96×0.96 (mm)。
圖2 實(shí)體縫隙模型
1.3 PE+PH等效縫隙模型
如圖3所示，在機(jī)箱前方開口處創(chuàng)建一個(gè)面，并設(shè)置為PE邊界條件；然后在該面上創(chuàng)建4×10個(gè)矩陣小面，小面長×寬=4.96×0.96 (mm)，且呈均勻分布。小面設(shè)置為PH邊界條件。
展開 通過運(yùn)用電磁場環(huán)境仿真軟件ANSYS HFSS 17.1，研究機(jī)箱對外來干擾的屏蔽效能，分析其電磁場分布的可視化結(jié)果，直觀的展示出電磁場分布規(guī)律及其傳播特性。以某機(jī)箱模型為例，采用ANSYS HFSS 17.1軟件，進(jìn)行機(jī)箱的屏蔽效能仿真與分析。包括模型的設(shè)計(jì)、邊界條件、激勵的設(shè)置和求解、查看結(jié)果等。
圖1.8
1.9 Q: 機(jī)箱屏蔽效能如何實(shí)現(xiàn)仿真？
我的機(jī)箱通風(fēng)上覆蓋了網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，孔徑小，數(shù)量多，如何處理？
A: 利用Radiation Boundary或PML邊界條件，以及Incident Wave入射波激勵等功能，HFSS能夠方便地實(shí)現(xiàn)對機(jī)箱屏蔽效能的仿真，并可通過后處理，得到機(jī)箱的最佳屏蔽效能、最差屏蔽效能以及機(jī)箱內(nèi)電場分布等關(guān)心的結(jié)果。對于機(jī)箱包含網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的情況，若直接對其進(jìn)行仿真計(jì)算，將會產(chǎn)生大量的網(wǎng)格，計(jì)算效率很低。利用Anisotropic impedance邊界條件，能夠?qū)⑼L(fēng)孔結(jié)構(gòu)用邊界條件鏈接的方式來代替，在保證精度的前提下顯著提高計(jì)算效率，如圖1.9所示。
展開 答：電路設(shè)計(jì)（包括器件選擇）、軟件設(shè)計(jì)、線路板設(shè)計(jì)、屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號線/電源線濾波設(shè)計(jì)、電路接地方式設(shè)計(jì)。
3、在電磁兼容領(lǐng)域，為什么總是用分貝（dB）的單位描述？10mV是多少dBmV？
答：因?yàn)橐枋龅姆群皖l率范圍都很寬，在圖形上用對數(shù)坐標(biāo)更容易表示，而dB就是用對數(shù)表示時(shí)的單位，10mV是20dBmV。
4、為什么頻譜分析儀不能觀測靜電放電等瞬態(tài)干擾？
答：因?yàn)轭l譜分析儀是一種窄帶掃頻接收機(jī)，它在某一時(shí)刻僅接收某個(gè)頻率范圍內(nèi)的能量。而靜電放電等瞬態(tài)干擾是一種脈沖干擾，其頻譜范圍很寬，但時(shí)間很短，因而頻譜分析儀在瞬態(tài)干擾發(fā)生時(shí)只能觀察到其總能量的一小部分，不能反映實(shí)際的干擾情況。
5、在現(xiàn)場診斷電磁干擾問題時(shí)，往往需要使用近場探頭和頻譜分析儀，怎樣用同軸電纜制作一個(gè)簡易的近場探頭？
答：將同軸電纜的外層（屏蔽層）剝開，使芯線暴露出來，將芯線繞成一個(gè)直徑1~2厘米的小環(huán)（1~3匝），焊接在外層上。
6、一臺設(shè)備，原來的電磁輻射發(fā)射強(qiáng)度是300mV/m，加上屏蔽機(jī)箱后，輻射發(fā)射降為3mV/m，那么這個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能是多少dB？
答：這個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能應(yīng)為40dB。
7、設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí)，應(yīng)根據(jù)哪些因素選擇屏蔽材料？
答：從電磁屏蔽的角度而言，主要考慮所屏蔽的電場波的種類。對于電場波、平面波或頻率較高的磁場波，一般金屬都可以滿足要求。對于低頻磁場波，要使用導(dǎo)磁率較高的材料。
8、機(jī)箱的屏蔽效能除了受屏蔽材料影響以外，還受哪些因素影響？
答：受兩個(gè)因素影響，一是機(jī)箱上的導(dǎo)電不連續(xù)點(diǎn)，例如孔洞、縫隙等；另一個(gè)是穿過屏蔽箱的導(dǎo)線，如信號電纜、電源線等。
展開 答：電路設(shè)計(jì)（包括器件選擇）、軟件設(shè)計(jì)、線路板設(shè)計(jì)、屏蔽結(jié)構(gòu)、信號線/電源線濾波、電路的接地方式設(shè)計(jì)。
3.在電磁兼容領(lǐng)域，為什么總是用分貝（dB）的單位描述？10mV是多少dBmV？
答：因?yàn)橐枋龅姆群皖l率范圍都很寬，在圖形上用對數(shù)坐標(biāo)更容易表示，而dB就是用對數(shù)表示時(shí)的單位，10mV是20dBmV。
4.為什么頻譜分析儀不能觀測靜電放電等瞬態(tài)干擾？
答：因?yàn)轭l譜分析儀是一種窄帶掃頻接收機(jī)，它在某一時(shí)刻僅接收某個(gè)頻率范圍內(nèi)的能量。而靜電放電等瞬態(tài)干擾是一種脈沖干擾，其頻譜范圍很寬，但時(shí)間很短，這樣頻譜分析儀在瞬態(tài)干擾發(fā)生時(shí)觀察到的僅是其總能量的一小部分，不能反映實(shí)際的干擾情況。
5.在現(xiàn)場進(jìn)行電磁干擾問題診斷時(shí)，往往需要使用近場探頭和頻譜分析儀，怎樣用同軸電纜制作一個(gè)簡易的近場探頭？
答：將同軸電纜的外層（屏蔽層）剝開，使芯線暴露出來，將芯線繞成一個(gè)直徑1~2厘米小環(huán)（1~3匝），焊接在外層上。
6.一臺設(shè)備，原來的電磁輻射發(fā)射強(qiáng)度是300mV/m，加上屏蔽箱后，輻射發(fā)射降為3mV/m，這個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能是多少dB？
答：這個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能應(yīng)為40dB。
7.設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí)，根據(jù)哪些因素選擇屏蔽材料？
答：從電磁屏蔽的角度考慮，主要要考慮所屏蔽的電場波的種類。對于電場波、平面波或頻率較高的磁場波，一般金屬都可以滿足要求，對于低頻磁場波，要使用導(dǎo)磁率較高的材料。
8.機(jī)箱的屏蔽效能除了受屏蔽材料的影響以外，還受什么因素的影響？
答：受兩個(gè)因素的影響，一是機(jī)箱上的導(dǎo)電不連續(xù)點(diǎn)，例如孔洞、縫隙等；另一個(gè)是穿過屏蔽箱的導(dǎo)線，如信號電纜、電源線等。
9.屏蔽磁場輻射源時(shí)要注意什么問題？
答：由于磁場波的波阻抗很低，因此反射損耗很小，而主要靠吸收損耗達(dá)到屏蔽的目的。
展開 
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機(jī)箱屏蔽的最新內(nèi)容
EMC仿真貫穿產(chǎn)品開發(fā)全周期，從PCB的電源完整性和信號完整性分析，到線纜線束的串?dāng)_及輻射情況，再到機(jī)箱機(jī)殼的屏蔽性能效果，以及整車的EMC測試等，都可以使用EMC仿真來幫助分析。通過仿真結(jié)果能夠?qū)υO(shè)計(jì)需求進(jìn)行驗(yàn)證，為EMC實(shí)測結(jié)果提供參考，從而盡早發(fā)現(xiàn)潛在的電磁兼容問題、提出更優(yōu)的解決方案、縮短整改產(chǎn)品的開發(fā)周期、節(jié)省成本。
屏蔽連接器還應(yīng)具有連接到機(jī)箱的接地屏蔽層，并最終連接到大地。應(yīng)該是直接連接到底盤的低阻抗連接，不通過電容提供此連接，也不通過 PCB 將 ESD 電流路由到地。
PCB 設(shè)計(jì)的幾乎每個(gè)元素（走線、布線、層、電子元件放置和間距）都會影響電路板上的 PCB ESD 保護(hù)。因此必須在設(shè)計(jì)早期就考慮到ESD保護(hù)電路。
電驅(qū)動系統(tǒng)EMI/EMC
· 重要性
· 技術(shù)難題
· ANSYS解決方案
· ANSYS解決方案的典型應(yīng)用
----線纜選型和寄生參數(shù)提取
----線纜電磁輻射分析與布局優(yōu)化
----電磁設(shè)備傳導(dǎo)及輻射特性分析
----PCB控制板的電磁干擾分析
----機(jī)箱機(jī)柜屏蔽效能分析
----系統(tǒng)電磁環(huán)境對醫(yī)療設(shè)備的干擾
----系統(tǒng)設(shè)備布局和電磁隔離度分析
7.
6、一臺設(shè)備，原來的電磁輻射發(fā)射強(qiáng)度是300mV/m，加上屏蔽機(jī)箱后，輻射發(fā)射降為3mV/m，那么這個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能是多少dB？
答：這個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能應(yīng)為40dB。
7、設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí)，應(yīng)根據(jù)哪些因素選擇屏蔽材料？
答：從電磁屏蔽的角度而言，主要考慮所屏蔽的電場波的種類。對于電場波、平面波或頻率較高的磁場波，一般金屬都可以滿足要求。
圖16 基于阻抗邊界條件等效模型的仿真結(jié)
6 結(jié)論
本案例利用HFSS對機(jī)箱屏蔽效能進(jìn)行仿真分析，三種不同的縫隙模型處理方式均可有效得到機(jī)箱屏蔽效能，建模方法具備較強(qiáng)的靈活性，仿真結(jié)果具備良好的一致性。
PCB板電磁兼容分析
電子機(jī)箱電磁屏蔽性能分析
最后數(shù)值仿真可以幫助設(shè)計(jì)人員：
■ 高效分析電纜、母排、IGBT、PCB走線等設(shè)備對電子系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾
■ 有效預(yù)測并改善電機(jī)、變壓器、IGBT、PCB、母排及其他整機(jī)系統(tǒng)的輻射干擾和設(shè)備布局
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器件選型
只有在屏蔽機(jī)箱上才有必要使用濾波連接器
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器件選型
選用濾波器連接器時(shí)，除了要選用普通連接器時(shí)要考慮的因素外，還應(yīng)考慮濾波器的截止頻率。
(1)金屬支架必須和金屬屏蔽裝置或者機(jī)箱一起使用時(shí),要采用一個(gè)零歐姆電阻實(shí)現(xiàn)連接。
(2)確定安裝孔大小來實(shí)現(xiàn)金屬或者塑料支架的可靠安裝,在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤,底層焊盤上不能采用阻焊劑,并確保底層焊盤不采用波峰焊工藝進(jìn)行焊接。
機(jī)箱通風(fēng)孔屏蔽效能仿真及優(yōu)化[J]. 安全與電磁兼容, 2013(6): 74-77.
[5]
何新文, 解國領(lǐng), 吳迪. 孔洞對于機(jī)箱屏蔽效能的影響[J]. 無線電工程, 2016, 46(5): 99-102.
[6]
許留留, 閆麗萍, 趙翔.
針對大型高速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)流程，主要包含以下四個(gè)階段：
原理圖仿真設(shè)計(jì)→Layout中仿真設(shè)計(jì)→Layout后整板仿真→局部整改
在上述傳統(tǒng)流程中，Ansys提供了專門針對PCB整版的仿真工具SIwave，高頻結(jié)構(gòu)仿真工具HFSS，用于機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)和系統(tǒng)EMI/EMC仿真，優(yōu)化和參數(shù)掃描模塊Optimetrics，以及和EDA工具的接口Ansoftlinks for EDA，高性能計(jì)算模塊等
