今天的電路就像徜徉在強(qiáng)度和頻率波動(dòng)很大的電磁（EM）能量之海中的小舟。電磁干擾 (EMI)、射頻干擾 (RFI)（通常被歸為電磁兼容 (EMC) 主題）是普遍存在的相關(guān)現(xiàn)象，會(huì)影響電路的性能和正式產(chǎn)品的合規(guī)認(rèn)可。雖然這些問(wèn)題從電子技術(shù)出現(xiàn)的早期即已受到關(guān)注，但由于無(wú)線連接的普及以及更高頻率、更敏感電路和更低電壓軌的使用，這些問(wèn)題所帶來(lái)的挑戰(zhàn)也越來(lái)越困難。

影響電路的干擾可能是由于附近有意和無(wú)意的電磁能量發(fā)射器造成的，也可能是自然或人為來(lái)源造成的。電路本身也可能發(fā)出不希望或不可接受的電磁能量，從而影響附近的電子設(shè)備。最常見緩解 EMI/RFI 能量問(wèn)題的解決方案是，在電路板的關(guān)鍵部件甚至整個(gè)模塊周圍增加屏蔽。在試驗(yàn)板和原型階段，這種屏蔽可以臨時(shí)了解問(wèn)題所在，減弱并解決問(wèn)題。然而，這種臨時(shí)的解決方案與制造環(huán)境，或與測(cè)試、調(diào)試和維修站并不兼容。

本文明確了印刷電路板、組件和產(chǎn)品的 EMC 基本挑戰(zhàn)。然后探討了 Harwin 的現(xiàn)成屏蔽解決方案，以及如何使用它們來(lái)提高技術(shù)有效性和生產(chǎn)兼容性。

EMC 問(wèn)題有兩種引發(fā)途徑

電干擾能量可以通過(guò)傳導(dǎo)或輻射形式從源頭傳遞到“受害者”電路（圖 1）。在傳導(dǎo)情形下，能量會(huì)通過(guò)導(dǎo)線或電纜等導(dǎo)體傳播。設(shè)計(jì)人員通常使用鐵氧體磁珠、濾波器、扼流圈和其他無(wú)源元件來(lái)衰減這種能量。在輻射情形下，能量路徑是通過(guò)空氣或真空從源頭擴(kuò)散到受害者，沒(méi)有金屬導(dǎo)體。

這些有害影響有時(shí)可以通過(guò)重新擺放源頭或受害者處元器件位置來(lái)減少，但這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，通常是不切實(shí)際、不可能或無(wú)效的。同樣，濾波也不是一個(gè)可行的選擇，因?yàn)榇蟛糠值母蓴_ EMI/RFI 能量都在相關(guān)的工作射頻 (RF) 頻段內(nèi)，濾波會(huì)降低所需信號(hào)的強(qiáng)度，影響系統(tǒng)性能。

對(duì)于一些輻射 EMI 的情形，有時(shí)會(huì)使用一種稱為“擴(kuò)頻”的技術(shù)來(lái)降低工作頻率的峰值 EMI 發(fā)射。在這種方法中，電路的時(shí)鐘作為一種跳頻形式，在其標(biāo)稱頻率周圍隨機(jī)“抖動(dòng)”。這樣可以將射頻能量分散到整個(gè)頻譜上，但它并沒(méi)有減少整體的發(fā)射能量（圖 2）。

擴(kuò)頻方式被一些設(shè)計(jì)者認(rèn)為是一種“欺騙”，因?yàn)檫@樣做主要是為了滿足輻射限制，而另一些設(shè)計(jì)者則認(rèn)為這是一種簡(jiǎn)單有效的解決方案。這種方式主要適用于固定工作頻率并不重要的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器；但對(duì)于許多載波和工作頻率穩(wěn)定性至關(guān)重要的情況來(lái)說(shuō)，擴(kuò)頻跳頻并不適合。

無(wú)源屏蔽：往往就是解決之道

在大多數(shù) EMC 情形下，干擾能量電路是設(shè)計(jì)者無(wú)法控制的，但必須在源頭或受害者處削減它。處理輻射式 EMI/RFI 的一個(gè)有效而廣泛使用的解決方案是，根據(jù)情況在干擾能量源或受害者周圍增加接地金屬屏蔽層。這帶來(lái)了兩個(gè)工程問(wèn)題：

印刷電路板的哪些區(qū)域需要屏蔽？

在生產(chǎn)環(huán)境中應(yīng)該如何實(shí)施這種屏蔽，才能最大限度地減少上市所需時(shí)間、成本和對(duì)生產(chǎn)的影響？

在許多情況下，需要屏蔽的區(qū)域是顯而易見的，例如射頻收發(fā)器部分；而在另一些情況下，要找到發(fā)射過(guò)多 EMI/RFI 的電路部分或易受其影響的部分，則需要數(shù)倍努力。為了找到這些區(qū)域，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)建造一個(gè)小的封閉 EMI 的導(dǎo)電盒，封閉和屏蔽所調(diào)查的區(qū)域。根據(jù)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的不同，這個(gè)盒子可能需要小到像指甲蓋一樣大，或者大到足以圍住整個(gè)印刷電路板。

對(duì)于較小的射頻外殼，可以使用薄銅片折成盒子，接縫處可以焊接或用帶導(dǎo)電膠的銅帶覆蓋即可。對(duì)于中大型外殼，則可以將廢舊的覆銅印刷電路板裁剪成所需的尺寸，然后將所有接縫用焊接或用導(dǎo)電膠帶粘接起來(lái)（圖 3）。在某些情況下，接縫處先做“定位焊”，以保證基本穩(wěn)定，然后用導(dǎo)電膠帶覆蓋。

然后將盒子放置在所要評(píng)估的電路板區(qū)域上，并將開放底部與印刷電路板之間的接縫線焊接到低阻抗的射頻地線上。實(shí)際操作時(shí)，可能比看起來(lái)更有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橛∷㈦娐钒逋€沒(méi)有對(duì)應(yīng)于所建罐體周邊的接地印制線。雖然幾個(gè)連接點(diǎn)可能就夠了，但更連續(xù)的接地接縫意味著進(jìn)入或離開罐組件的射頻泄漏路徑就會(huì)更少。

這種焊接的方法還有一個(gè)問(wèn)題。由于許多印刷電路板的覆銅很薄，將測(cè)試罐與板子焊接或脫焊很可能會(huì)損壞精細(xì)的覆銅并損壞板子。因此，在構(gòu)建并粘接這些屏蔽罐之前，最好使用射頻探頭和嗅探器對(duì)具體情形進(jìn)行一些測(cè)量。

一個(gè)更好的原型屏蔽方法

使用銅箔或覆銅印刷電路板制造屏蔽罐確實(shí)可行，但這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。而且還需要處理 FR-4 襯底（如果使用印刷電路板），如果沒(méi)有合適的裝備，很難切割，除非戴上手套，否則會(huì)在手指上留下討厭的玻璃纖維“碎片”。即使是使用裸銅板也有問(wèn)題，因?yàn)槿绻幚聿簧鳎赡軙?huì)割傷手指，而且可能需要使用一臺(tái)小的彎板機(jī)來(lái)進(jìn)行邊緣和角部 90° 折彎。乍一看這個(gè)自制屏蔽測(cè)試盒的 DIY 方法好像很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上并不像它看起來(lái)那樣快速、方便，盡管它肯定確實(shí)可行。

幸運(yùn)的是，我們有 Harwin S01-806005RFI 屏蔽罐套件，它提供了更好的解決方案。該套件提供兩張蝕刻成 5 mm (mm) 正方形網(wǎng)格的屏蔽罐片材、24 個(gè) RFI 屏蔽夾以及簡(jiǎn)單易懂的說(shuō)明。要制作一個(gè)基本的折疊盒，只需畫出所需盒子尺寸的簡(jiǎn)圖，剪去不要的片材，然后用金屬尺作為導(dǎo)板和臨時(shí)彎板機(jī)，將剩余的材料沿蝕刻線折彎即可（圖 4）。

圖 4：使用 Harwin S01-806005 RFI 屏蔽罐套件，用戶可以使用提供的帶有 5 mm 蝕刻網(wǎng)格圖案的金屬片輕松定制屏蔽罐。（圖片來(lái)源：Harwin）

現(xiàn)在，只需將套件提供的 S1711-46R RFI 屏蔽夾回流焊或手工焊接到電路板上，然后將罐子扣入屏蔽夾即可實(shí)現(xiàn)屏蔽罐與電路板的連接（圖 5）。這比試圖將罐子直接焊接到電路板上的方法要好得多，而且還可以根據(jù)需要輕松地將罐子拆下，以便對(duì)“封閉”的電路進(jìn)行測(cè)試、測(cè)量、評(píng)估和調(diào)試。

原型開發(fā)不是生產(chǎn)

雖然 DIY 罐子或 Harwin 屏蔽罐套件都可以成為 EMC 解決方案，但它們并不兼容大規(guī)模甚至是小批量生產(chǎn)。顯然，用印刷電路板“廢料”或折疊銅板制造一定數(shù)量的外殼，需要額外的生產(chǎn)步驟和時(shí)間，而且屬于非標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，不能列入物料清單 (BOM)。即使可以接受，通過(guò)沿著外殼和板子之間的接縫將其焊接到印刷電路板上也是一種手工操作，不像其他元件的標(biāo)準(zhǔn)回流焊；而且還很可能損壞板子，且拆下來(lái)測(cè)試或維修也不切實(shí)際。

同樣，還有一個(gè)更好的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，那就是使用 Harwin 的預(yù)制射頻屏蔽罐和配套安裝夾。這些高射頻傳導(dǎo)、非電鍍鎳銀矩形罐有多種尺寸和高度可供選擇，從很小的尺寸為 10 mm x 10 mm x 3 mm 高（0.394 x 0.394 x 0.12 英寸）、0.15 mm 材料厚度的 S03-10100300R（圖 6），到像 S01-50250500這樣尺寸為 25 mm x 50 mm x 5 mm 高（約 1×2×0.25 英寸）、厚 0.3 mm 的更大罐子。

這些罐子本身只解決了部分生產(chǎn)性要求。因此，Harwin 還提供了多種夾子，這些夾子可以回流焊到印刷電路板上（圖 7），而罐子可以扣入夾子或從上面取下。不同的夾子適合不同的板子，包括布局、方向、安裝方式、對(duì)相鄰印刷電路板走線和平面的干擾，以及罐子材料的厚度。

某些夾子樣式是為帶有天線饋線的移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，有一些配置可以防止過(guò)度壓縮，防止意外卡住，并且可以垂直或水平使用。提供外形低至 1.1 mm 的微型夾子，以及為解決局部渦流干擾而設(shè)計(jì)的 90? 角夾子。

考慮射頻衰減、冷卻因素

在電路元件周圍設(shè)置固體表面金屬罐有一個(gè)基本現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，就是它們會(huì)阻礙所包圍元件表面的對(duì)流冷卻氣流。似乎在許多應(yīng)用中應(yīng)該排除使用屏蔽罐，但實(shí)際情況并非如此。原因是罐子的金屬殼相當(dāng)薄，根據(jù)罐子具體型號(hào)和規(guī)格，厚度 從 0.15 到 0.3 mm 不等。這種厚度對(duì)于熱量從罐子內(nèi)部向罐子外部傳導(dǎo)只造成了很小的障礙。熱量傳到罐子外表面后，就可以通過(guò)自然或強(qiáng)制空氣對(duì)流或其他方式散發(fā)出去。

在這方面，薄金屬罐的熱性能要比普通 FR-4 印刷電路板材料制成的屏蔽外殼好得多。后者導(dǎo)熱系數(shù)在 1 至 3 瓦/米-開爾文 (W/m-K) 之間，標(biāo)準(zhǔn)厚度為 1.6 毫米，因此熱阻要高得多。將這一數(shù)字與鎳銀的導(dǎo)熱率進(jìn)行比較，鎳銀的導(dǎo)熱率要高出 1000 倍左右，而且也要薄得多（只有 0.15 到 0.3 毫米）。通過(guò)基本的熱建?？梢粤炕〗饘俟迣?duì)冷卻的影響。另外，還可以按照標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，利用底層印刷電路板覆銅的高導(dǎo)熱率來(lái)帶走所安裝元件的大量熱量。這在幾乎所有情況下，都是一種很好的做法。

改善屏蔽罐熱對(duì)流的一個(gè)明顯的解決方案就是在罐體表面開孔。然而，這又增加了一系列新的問(wèn)題。孔洞必須足夠小，間距足夠遠(yuǎn)，否則就可能有射頻泄漏。由于允許的最大直徑和間距是波長(zhǎng)的函數(shù)，一般最直接的要求是，任何開口不得超過(guò)所屏蔽射頻最短波長(zhǎng)的十分之一。

然而，決定臨界波長(zhǎng)和孔大小并不總是很容易或很明顯，因?yàn)楦蓴_射頻能量的頻率可能比產(chǎn)品的視在工作頻率或載波頻率更高（因此波長(zhǎng)更短）?？紤]到千兆赫干擾頻率信號(hào)會(huì)使附近的兆赫頻率前端放大器過(guò)載和飽和，因此允許的最大孔徑必須比簡(jiǎn)單的產(chǎn)品工作頻率初步分析確定的要小得多。

請(qǐng)記住，除了確保電路性能外，屏蔽罐和夾子的另一個(gè)目標(biāo)可能是在較寬的頻率范圍內(nèi)提供射頻衰減，以滿足產(chǎn)品的法規(guī)要求。這些與 EMC 相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)定義了產(chǎn)品在射頻頻譜的各個(gè)區(qū)域內(nèi)可以產(chǎn)生的最大 RFI/EMI，以及產(chǎn)品作為 EMI/RFI 受害者的允許敏感度，而不考慮標(biāo)稱工作頻率。

因此，屏蔽通常不僅要保證在明顯工作頻率下的性能，還必須在更廣泛的 EM 頻譜上提供衰減。使用僅按照標(biāo)稱工作頻率確定尺寸的冷卻孔，可能會(huì)降低對(duì)那些較短波長(zhǎng)頻譜的衰減，并可能影響監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

結(jié)語(yǔ)

電磁兼容性和 RFI/EMI 問(wèn)題幾乎影響到所有電子產(chǎn)品和應(yīng)用，而隨著更高頻率無(wú)線鏈路的使用越來(lái)越多，使得設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性。輻射 EMI/RFI 導(dǎo)致了許多問(wèn)題，而解決之道通常涉及基本射頻屏蔽，即使用金屬罐完全封閉受影響的電路。

這些金屬罐可作為標(biāo)品提供，有多種尺寸可選，同時(shí)提供采用各種配置的印刷電路板夾，讓金屬罐能夠輕松地扣到電路板上或從其取下。這些夾子也完全兼容批量生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行 SMT 封裝元件插入和焊接的設(shè)備。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：使用合適的現(xiàn)成金屬罐和夾子進(jìn)行 EMI/RFI 屏蔽

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