Малые экранирующие корпуса как еще одно эффективное решение проблемы ЭМС

Для того чтобы выбрать оптимальный вариант решения той или иной проблемы, первоначально необходимо изучить причины ее появления, другими словами, вникнуть в суть вопроса. Электромагнитные помехи в виде полей являются непременными продуктами в любом радиоэлектронном и электротехническом оборудовании (далее — РЭА). Это связано с тем, что в нем используются переменные токи и напряжения, а топология и конструктивное исполнение создает для их более или менее эффективного излучения своеобразные рамочные антенны.

Рис. 1.
а) Типовая форма импульсов;
б) распределение спектра;
в) зависимость излучения гармоник от частоты, приведенные в логарифмическом масштабе:
T — период повторения импульсов;
t — длительность импульса по уровню 0,5 (50%);
А — амплитуда импульса;
tr = tt — длительность переднего и заднего фронта импульса

Переменное электромагнитное поле характеризуется векторами E и H, которые представляют вектор напряженности электрического и магнитного полей соответственно, находящихся под прямым углом друг к другу, то есть они ортогональны. В непосредственной близи к такой рамочной антенне, которая, собственно, и служит источником электромагнитного излучения, характеристики полей E и H определяются поведением источника, а именно частотой и переходными процессами. Если источник характеризуется высоким током и низким напряжением, то в этом случае магнитное поле считается доминирующим, тогда как если источник отличается малым током и высоким напряжением, то доминирующим считается электрическое поле. Напряженность магнитного поля вблизи источника является высокой, и здесь нас в первую очередь интересует магнитное экранирование, но по мере увеличения расстояния от источника напряженность магнитного поля уменьшается, создавая одновременно электрическое поле, и здесь уже необходимо решать проблему его экранирования. Для выполнения требований по ЭМС экранирование от электрического поля становится более актуальным, поскольку при удалении от источника излучения магнитное поле затухает согласно кубическому (1/d³), а электрическое — квадратичному (1/d²) закону, где d — расстояние до точки излучения, то есть в зоне дальнего поля именно оно, как правило, является доминирующим [3]. Тем не менее ничего нельзя сбрасывать со счетов и внимание должно быть уделено и магнитной (Н) в А/м, и электрической (Е) в В/м составляющим ЭМП.

Где же рождаются интересующие нас ЭМП? Не будет ошибкой сказать, что они возникают повсюду, но лучше все же конкретизировать ответ. Если не принимать во внимание радиочастотные каскады — усилители мощности радиочастоты, их выходные фильтры и каскады согласования с антенной, которые по своей природе предназначены генерировать и усиливать токи высокой частоты, то основными источниками ЭМП являются все каскады и цепи, работающие с импульсными сигналами: тактовые генераторы, преобразователи, внутренние шины передачи данных, интерфейсы и т. д. Причем здесь необходимо учитывать не только рабочие частоты, но и форму импульса (имеется в виду его длительность и скорость нарастания/спада фронтов), а также артефакты переходных процессов, связанные с наличием паразитных и распределенных емкостей и индуктивностей.

Например, при использовании DC/DC-преобразователя с низкой рабочей частотой 100 кГц кажется, будто можно почивать на лаврах. Однако если посмотреть на импульс, то полоса частот, заполняемая его гармониками, занимает довольно широкую область, которая зависит от его характеристик, как показано на рис. 1 [14].

Как можно видеть, генерируемые гармоники от рабочей частоты (что уж говорить про продукты переходных процессов, которые априори значительно выше рабочей частоты преобразования) могут оказаться в зоне выше критических 30 МГц, откуда, согласно стандартам, начинается контроль излучаемых радиопомех [2]. При этом наибольшие проблемы для РЭА создаются нечетными гармониками [10]. Что же касается наведенных ЭМП, или, как их называют, кондуктивных, то и они могут попортить нам, разработчикам РЭА, немало крови. Кондуктивные помехи, хотя по факту и являются синфазными, но из-за наличия тех или иных неравномерностей и несимметричностей становятся дифференциальными, со всеми вытекающими последствиями.

Итак, в части выполнения требований по ЭМС мы имеем две проблемы: защиты от внешних и внутренних ЭМП непосредственно для самого проектируемого устройства и уменьшения излучения собственных ЭМП проектируемой РЭА, которое может оказать влияние уже на стороннее оборудование. Что первое приходит на ум разработчику, который уже исчерпал возможности схемотехнического и общего конструктивного решения проблемы ЭМП: выбрал оптимальные частоты, уменьшил, насколько это возможно, скорость нарастания и спада импульсов, выполнил пространственное разделение каскадов, уделил должное внимание разводке печатных плат для уменьшения излучающих петель? Правильно: экранирование.

Экранирование, если его рассматривать в общем плане, — это установление между приемником и излучателем некой поглощающей электромагнитные вонлы среды. Как видно на рис. 2, энергия падающей волны E_in частично отражается в виде E_refl, частично проникает в токопроводящую среду и там затухает по экспоненциальному закону, частично отражается от границы среды, а часть энергии волны E_in, пройдя сквозь экран, выходит наружу в виде E_out [3].

Рис. 2. Распределение энергии плоской электромагнитной волны при наличии на ее пути токопроводящей среды

Отражение зависит от волнового импеданса E/H и проводимости экрана, а поглощение — от толщины экрана, его проводимости, магнитной проницаемости и частоты. Естественно, что степень экранирования для электрической волны Е — это отношение энергии волны E_in к E_out и общая эффективность экранирования определятся как SE (дБ) = 20log(E_in/E_out), являясь суммой затуханий на отражение E_refl (дБ) и поглощение, но только при условии, что уровень поглощения превышает как минимум 6 дБ (в некоторых источниках это условие задают на уровне не менее 10 дБ). В этом случае энергия внутренней отраженной волны приравнивается к нулю, в противном случае ее также необходимо принимать во внимание, причем с учетом многократных переотражений. Аналогичная формула справедлива и для магнитной волны Н SE (дБ) = 20log(Н_in/Н_out). Разумеется, нам бы всем хотелось, чтобы электрическая и магнитная составляющая волны, а в общем случае и мощность излучения, на выходе экрана равнялись нулю. Но, к сожалению, это не так.

Для первоначальной оценки нужно знать, находится экран в ближнем или дальнем поле. Здесь и далее, кроме случаев, оговоренных особо, для понимания процесса экранирования мы воспользуемся методикой, предложенной в [3]. Условия ближнего поля имеются тогда, когда экран находится ближе, чем с/2πf или λ/2π, к источнику излучения, где f — это частота, λ — длина волны, а с — скорость света в вакууме. Если преобладают электрические поля Е, то, поскольку несоответствие импедансов поля и экрана велико, высокий волновой импеданс обеспечивает хорошие отражательные свойства. Для эффективного экранирования необходимо, чтобы импеданс по полю превышал 1 кОм, а собственный импеданс экрана был ниже 1 Ом. Для электрических полей E (высокий импеданс) вносимое экраном затухание может быть определено в соответствии с уравнением (1) как:

R (дБ) = 20log[15λ/(Z_b×d)]                               (1)

или через частоту (дБ) = 20log[4500/(Z_b×d×f)],

где d — расстояние от источника излучения в метрах; λ — длина волны ЭМП, как правило, для импульсного сигнала здесь учитывается частота, равная 0,35/t_r, или наивысшая рабочая частота для радиооборудования; f — частота в МГц; Z_b — удельный поверхностный импеданс Ом/квадрат.

Здесь, как мы видим, используется Z_b — удельный поверхностный импеданс, то есть полное сопротивление тонких плоских пленок (когда их толщина много меньше расстояния между контактами), которое принято называть «удельное сопротивление на квадрат», другими словами, способность пропускать электрический ток определенной частоты по поверхности, приравненной к тонкой пленке, номинально однородной по толщине. Данный параметр удобен тем, что сопротивление прямоугольного куска (подчеркиваю, именно прямоугольного) проводящей пленки не зависит от размеров этого условного квадрата при приложении напряжения по его противоположным сторонам. При этом сопротивление куска пленки (в нашем случае экрана, если он имеет форму прямоугольника) не зависит от его линейных размеров, а только от отношения длины (измеренной вдоль линий тока) к его ширине.

Обратите внимание, что по мере увеличения, соответственно, и уменьшения длины волны значение высокого импеданса поля снижается до тех пор, пока не будут достигнуты условия дальнего поля, то есть когда расстояние до излучателя будет равно d = λ/2π.

Что касается магнитной составляющей ЭМП, то для условия ближнего поля волновой импеданс E/H низкий (составляющая Н поля здесь является преобладающей), так что получить хорошее отражение затруднительно. Потери на отражения здесь равны:

R (дБ) = 20log[(2d×f)/Z_b].             (2)

При расчете необходимо учитывать, что значение R (дБ) не может быть отрицательным, так как это характеристика затухания, а не усиления, следовательно, если выражение под логарифмом df/Z_b получается менее единицы, то R принимается равным 0 дБ.

Как уже было сказано, если расстояние от источника излучения значительно превышает длину волны, то преобладающей является электрическая составляющая ЭМП. Однако, рассматривая источник излучения, мы могли бы иметь более точное представление. Например, у импульсных источников питания, которые работают на больших токах, драйверов соленоидов и приводов электродвигателей, а также в цепях питания больших интегральных схем при токах более 0,1 А/В преобладающими в ЭМП являются все же магнитные поля. И наоборот, высоковольтные или ненагруженные линии связи по напряжению генерируют электрические поля.

Что касается потерь на отражение для условия дальнего поля, такие потери согласно [3] могут быть оценены как:

R (дБ) = 20log[(К+1)²/4К],          (3)

где К = 120ω/Z_b.

Если К больше 3, то уравнение (3) упрощается до вида Rd (дБ) ≈ 20log[100/Z_b].

Для более легкого понимания отражение и поглощение здесь представлены как два независимых фактора, однако они взаимосвязаны. Отражение на границе раздела «воздух-металл» сочетается с внутренним поглощением, за которым следует отражение второй границы «металл-воздух». В общем случае мы имеем дело с несколькими внутренними переотражениями.

В формуле (3) учитываются эти промежуточные механизмы. Однако для тонкого барьера, толщина которого t меньше глубины скин-эффекта δ, поглощение не существует, а экранирование полностью связано лишь с отражением, без описанных выше множественных внутренних отражений.

В этом конкретном случае экранирование посредством отражения теряется и приводится к виду:

R (дБ) = 20log(120π/2Z_b] ≈ 46–20logR_b, (4)

где R_b — удельное поверхностное сопротивление Ом/квадрат по постоянному току, не зависящее от частоты.

Если говорить о поглощении, то для его оценки нам нужно знать отношение толщины экрана и глубины скин-эффекта на частоте ЭМП. Здесь можно использовать коэффициент поглощения 8,7 дБ (или потери 63% его амплитуды) на каждую глубину скин-эффекта δ. Вводя все электрические константы, мы приходим к простому выражению потери поглощения:

A (дБ) = 131t√(f×µ_r×s_r),             (5)

где t — толщина экрана, мм; f — частота ЭМП, МГц; µ_r — относительная проницаемость по отношению к меди и для немагнитных материалов равна единице; s_r — относительная проводимость (обратная величина сопротивлению) по отношению к меди, здесь для меди s_r = 1, для алюминия примерно 0,6 и 0,17 для обычной конструкционной стали.

Для примера потери на поглощение алюминиевой фольги толщиной 0,03 мм на частоте 100 МГц равны:

A (дБ) = 131×0,03√(100×1×0,6) = 30,4 дБ.

То есть в результате поглощения сигнал ЭМП с частотой 100 МГц будет ослаблен в 33 раза. Для немагнитных материалов (µ_r = 1) потери на поглощение увеличиваются с улучшением проводимости s_r. Поскольку ни один металл не обладает лучшей проводимостью (кроме серебра, с s_r = 1,05), чем у меди, то изготовленные из них экраны при одной и той же толщине будут менее эффективны. Так, для цинка с его относительной проводимостью 0,3 при той же толщине 0,03 мм потери поглощения на частоте 100 МГц составят уже 20 дБ.

Рис. 3. Общая эффективность экранирования (абсорбция + отражение) для нескольких обычно используемых металлов.
Сплошные линии (сверху) — условия дальнего поля. Пунктирные линии (внизу) — для источников поля H на расстоянии 1 м. Графики для меди толщиной в 1 мм могут использоваться для алюминия толщиной 1,25 мм, а графики для меди 0,025 мм могут использоваться для алюминия толщиной 0,03 мм

Для магнитных материалов (µ_r > 1) потери на поглощение с ростом магнитной проницаемости увеличиваются. Однако, с другой стороны, их проводимость хуже, чем у меди. На низких частотах для стали или железа, у которых µ_r находится в диапазоне 300–1000 даже при том, что их относительная проводимость составляет всего около 0,17, существует определенное преимущество. А вот на частотах уже в несколько сотен килогерц (исключая специальные ферриты) µ_r для стали или железа обычно начинает стремиться к 1, тогда как s_r этих материалов все еще остается на удовлетворительном уровне, и их экранирующие свойства резко ухудшаются. В таблицах 1 и 2 показаны экранирующие свойства некоторых металлов, обычно используемых для изготовления экранов, а на рис. 3 — графики затухания для различных материалов и условий.

Примечание. *Сплав с высокой относительной магнитной проницаемостью обычно не работоспособен на частотах выше нескольких МГц.

Все это понятно, когда рассматривается и оценивается экран как таковой. Однако, как можно заметить, в формулах имеются эмпирические коэффициенты, происхождение которых в [3] не поясняется. Дело в том, что расчет электромагнитных экранов с достаточной точностью пока возможен только в идеализированных случаях, а именно если рассматривается бесконечно плоский экран на пути распространения плоской волны или в случае, когда точечный источник излучения размещен в центре проводящего экрана сферической формы. Все эти случаи не отражают реальных условий экранирования, поскольку не учитывают соотношений между длиной волны и линейными размерами экрана, характером источника и неравномерностью распределения поля внутри экрана. Причем для некоторых длин волн ЭМП это будет область ближнего поля, а для других — дальнего, что требует различных подходов к экранированию.

Кроме того, необходимо учитывать неоднородность материала и конструкции самого экрана, который, как правило, состоит из нескольких частей, как минимум корпуса и крышки, при этом есть возможность проникновения поля через щели и отверстия, неизбежно имеющиеся в реальном экране. На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота ЭМП, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана и, как уже было сказано, конфигурация, размеры, толщина экрана и неоднородности в материале. Нельзя забывать и о том, что внутри экранированных объемов могут возникать и резонансные эффекты, а также иметь место переизлучение. Однако все методики, пусть и с теми или иными допущениями, полезны для понимания сути экранирования и выбора решения, соответствующего конкретному случаю, а также материала.

Еще одна проблема, с которой неизбежно придется столкнуться, — отверстия в экране, например под органы управления, разъемы, кабели, для вентиляции и т. д. Отверстие или отверстия (имеются в виду не только круглые, но и вырезы, щели, прорези, стыки) приводят к деградации затухания, что может уменьшить требуемую эффективность экранирования. Другая проблема — шов по периметру крышки корпуса, который служит экраном. Здесь для поддержания заданной проводимости по всему периметру следует использовать специальную прокладку. Кроме того, необходимо учитывать и организацию ввода. Трудно представить себе корпус, не имеющий отверстий и связи с внешним миром, однако эта тема обширна и требует отдельного описания, что не входит в рамки настоящей статьи, но варианты решения можно оценить, например, в публикациях [11, 6].

Итак, как же поступать при выборе вариантов экранирования? Для начала можно использовать простой алгоритм (рис. 4), предлагаемый в [3]. Он поможет определить, нужно ли вообще экранирование, что конкретно нужно экранировать и как это лучше организовать.

Рис. 4. Алгоритм выбора экранирования. Правая часть описывает защиту РЭА от внешних ЭМП

Если мы сталкиваемся с тем, что проектируемое нами оборудование требует защиты от магнитной составляющей, мы можем применить специальные поглощающие материалы [4]. Если речь идет о защите отдельных внутренних каскадов от излучения, например от DC/DC-преобразователей популярной ныне архитектуры распределенного питания PoL (Point-of-Load — питание непосредственно нагрузки от одной общей шины), то можно использовать экранированные силовые дроссели [5]. Что же касается оборудования в целом, для этого имеются специальные шкафы и корпуса [6], однако часто мы сталкиваемся с ситуацией, когда полное экранирование РЭА невозможно по тем или иным соображениям, часто вследствие специфики самого проектируемого оборудования. В качестве примера обратимся к рис. 5.

Рис. 5. Пример оборудования, разработанного компанией «Модуль 98» (приводится с разрешения компании «Модуль 98»)

Представленный здесь фрагмент интеллектуального робототехнического оборудования имеет поворотную платформу (двигатель слева внизу), управляющую ЭВМ собственной разработки (внизу по центру), пневматику с компрессором (KOTO), электромагнитными клапанами (красный справа) и соответствующим управлением. Кроме того, шаговый двигатель управления коромыслом (слева вверху с редуктором), двумя шаговыми двигателями и системой управления для точного позиционирования накопительного и приемного барабанов, блок электромагнитов и лазеров энкодера с управлением, а также видеокамеры системы машинного зрения (верхний блок) и центральную ЭВМ — индустриальный компьютер компании VIA (в глубине внизу). Понятно, что все эти элементы требуют распределенного питания. К тому же здесь используются и драйверы, интерфейсы и контроллеры со своими тактовыми генераторами и шинами. И все это излучает ЭМП, а видеокамеры и датчики еще и крайне чувствительны к внешним наводкам. И хотя были приняты соответствующие меры схемотехнического характера (часть из этих мер описана в [7, 9]), понятно, что обойтись без эффективного экранирования в столь насыщенном источниками ЭМП оборудовании мы не рискнули и экранировать пришлось именно отдельные узлы и части оборудования. В целом закрыть вращающееся по нескольким осям устройство было просто нереально, и даже если бы мы пошли по такому пути, то внутри получилась бы каша из ЭМП.

И здесь решение эффективного экранирования оказалось не дутьем на воду, а следствием горького опыта, откинувшего одну из наших разработок почти на ее начальную стадию и именно из-за выявленного в одном из сертификационных центров ЕС несоответствия в части излучаемых ЭМП [8] (в публикации [8] имеется ряд дельных советов по устранению проблем, связанных с выполнением требований по ЭМС), которое удалось привести в норму только глобальной переработкой конструкции с введением многослойных (медненая сталь) экранов и помехоподавляющих фильтров. Как можно видеть на рис. 5, для подавления излучаемых помех был использован стальной экран для центральной ЭВМ и блока соленоидов, а также алюминиевые коробки на все платы управления. Кроме того, после первого испытания пришлось добавить экранирование еще и для изолированного интерфейса (на рис. 5 он еще в первоначальном варианте, стальная коробочка в левом верхнем углу), поскольку стальная коробка на частоте 300 МГц, естественно, оказалась не эффективной.

Что касается использованных алюминиевых коробок, они широко доступны, но не все из них эффективно решают проблемы, связанные с ЭМП и задачами ЭМС. Ведь большинство изготовителей предлагает решение проблем экранирования по умолчанию: мол, есть алюминиевая коробочка, она, как нечто само собой разумеющееся, способна подавить генерируемые вашим оборудованием ЭМП и избавит его от воздействия внешних. По факту же все риски ложатся на вас, и проблемы в любой момент могут выскочить как черт из табакерки. Так что если вы разрабатываете некое критическое оборудование и, что вполне естественно, хотите иметь гарантии его соответствия требованиям ЭМС еще до того, как переступите с ним порог испытательного центра, то лучше обращаться к ответственным поставщикам. Таким как, например, компания GAINTA — один из крупнейших специализированных производителей корпусов в Азии, имеющая 20‑летний опыт разработки корпусов, используемых для защиты электрических и электронных компонентов продуктов и занимающая лидирующее положение на этом рынке. Вся продукция компании GAINTA производится из высококачественных материалов на современном оборудовании. Выпуск корпусов налажен на заводах, расположенных на Тайване. Все корпуса проходят проверку, а сама компания оказывает всестороннюю поддержку своим клиентам.

Рис. 6. Эффективность экранирования корпусов серии HQ0xxEMS компании GAINTA

Особое место в ассортименте продукции компании GAINTA занимают специализированные корпуса серии HQ0xxEMS [12], предназначенные для работы в крайне жестких условиях окружающей среды. Корпуса предлагаемой серии специально разработаны для выполнения требований в части экранирования собственного излучения ЭМП и требований по ЭМС. Корпуса серии HQ0xxEMS являются не только герметичными, но и благодаря специальной конструкции с применением дополнительных прокладок гарантируют высокую степень электромагнитного экранирования на уровне не менее –40 дБ в широком диапазоне частот (рис. 6) [9]. Для достижения столь впечатляющих результатов компания GAINTA (рис. 7) использует конструктивное решение (рис. 8), предусматривающее установку специальной дополнительной прокладки из изолятора в экранированной плетенке, блокирующей щели по периметру корпуса, способные в ряде случаев стать весьма эффективными излучающими антеннами.

Рис. 7. Конструктивное исполнение корпусов серии HQ0xxEMS компании GAINTA

Основные технические характеристики корпусов серии HQ0xxEMS:

• материал корпуса: высококачественный алюминиевый сплав ADC‑12 (Япония);
• отверстия для внешнего крепления и крепежные элементы крышки расположены за пределами внутренней полости корпуса, что обеспечивает его надежную герметизацию и не нарушает экранирование;
• силиконовая прокладка по всему периметру крышки и корпуса обеспечивает степень защиты оболочки IP67;
• исполнение с дополнительной токопроводящей прокладкой по периметру для выполнения требований в части ЭМС;
• корпус может быть окрашен порошковой краской, требование указывается при заявке (светло-серого цвета — в конце указывается LG, черного цвета — BK).

Рис. 8. Корпуса серий HQ0xxEMS

Кроме экранированных корпусов специального назначения серии HQ0xxEMS, можно заказать экранированные корпуса широкого применения серии G0XXX [13], они доступны в двух базовых вариантах исполнения и предназначены для бытовых, радиочастотных, сетевых и электротехнических приложений. Компания «Модуль‑98», в которой работал автор статьи, использовала корпуса этого типа (рис. 9).

Рис. 9.
а) Основной блок системы распределенного питания;
б) доработанный узел изолированного интерфейса в экранирующих алюминиевых корпусах (приводится с разрешения компании «Модуль 98»)

Решение вопросов ЭМС — это комплексное мероприятие, которое затрагивает не только идеологию, заложенную в основу реализации требований технического задания на разработку продукта, но и его последующее схемотехническое и конструктивное решение.

Выполнение требований по ЭМС, как и требований стандартов по безопасности, является обязательным и контролируется соответствующими органами по сертификации конкретного вида продукции. В большинстве случаев для осуществления требований ЭМС необходимо использовать экранирование, при этом альтернативой большим шкафам или дорогим медным экранам могут быть чуть более дешевые, более удобные в применении и эффективные по отношению к стальным алюминиевые коробки. Однако следует помнить, что экранирование — это чрезвычайно тонкий вопрос со множеством допущений, находящийся на вершине инженерного искусства, большую помощь тут может оказать моделирование, но в любом случае вы должны быть готовы к тому, что окончательное подтверждение правильности выбранных вами решений вы получите только в ходе испытаний на выполнение требований в части ЭМС.