Дополнительные конструктивные элементы помогают решать проблемы ЭМС
Введение
Электромагнитная совместимость подразумевает способность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) надежно функционировать в общей среде, не создавая недопустимых электромагнитных помех себе самой и другому оборудованию. Инженеры — разработчики РЭА хорошо знакомы с этой проблемой [1], а потому уже на самых ранних этапах проектирования для того, чтобы устранить побочные радиоизлучения и наводки на цепи и каскады, влияющие на целостность сигнала, учитывают соответствующую требованиям ЭМС компоновку платы [2], фильтрацию [3], заземление и т. д. Но в ряде случаев, например в высокочастотной РЭА, решить проблемы ЭМС только на уровне схемотехники и компоновки невозможно. Во многом проблемы ЭМС удается устранить грамотным экранированием (рис. 1).
Однако и само экранирование вопрос не такой простой, как может показаться на первый взгляд. Здесь чрезвычайно важен правильный выбор метода экранирования, материала экрана и его конструкции, поскольку они не только будут определять должное функционирование разрабатываемой РЭА в соответствии с техническим заданием, но и откроют дорогу к ее успешной сертификации, что позволит успешно вывести изделие на рынок.
Экранирование, если его рассматривать в общем плане, — это установление между приемником и излучателем некоей поглощающей электромагнитные волны среды. Вопрос этот очень сложен и требует объемного описания, что выходит за рамки данной статьи. Он, применительно к экранированию и корпусам РЭА, подробно рассмотрен в [4, 8, 9], однако для понимания интересующей нас проблемы остановимся на некоторых важных моментах.
Если посмотреть на рис. 2, то можно увидеть следующее: энергия падающей волны Ein частично отражается в виде Erefl, частично проникает в токопроводящую среду и там затухает по экспоненциальному закону, частично отражается от границы среды, а часть энергии волны Ein, пройдя сквозь экран, выходит наружу в виде Eout [4].
Отражение зависит от волнового импеданса E/H и проводимости экрана, а поглощение — от толщины экрана, его проводимости, магнитной проницаемости и частоты. Естественно, степень экранирования для электрической волны Е — это отношение энергии волны Ein к Eout, и общая эффективность экранирования определяется как SE(дБ) = 20lg(Ein/Eout), являясь суммой затуханий на отражение Erefl(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 данном случае энергия внутренней отраженной волны приравнивается к нулю, иначе ее также необходимо принимать во внимание, причем с учетом многократных переотражений. Аналогичная формула справедлива и для магнитной волны Н, здесь затухание определяется как SE(дБ) = 20lg(Нin/Нout).
Разумеется, нам всем хотелось бы, чтобы электрическая и магнитная составляющая волны, а в общем случае мощность излучения, на выходе экрана равнялись нулю. Однако на практике это труднодостижимо. Здесь необходимо учитывать очень много факторов, начиная с частоты ЭМП и заканчивая определением, находится ли экран в ближнем или дальнем поле, какая составляющая ЭМП будет доминирующей — магнитная или электрическая. Для каждой составляющей требуется свое решение в части выбора материалов. Необходимо учитывать скин-эффект и на его основании выбирать толщину экрана. Проблема, как можно видеть, сложная. 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.
Материал |
Относительная проводимость, sr |
Относительная |
Глубина скин-эффекта |
|||
50 Гц |
10 кГц |
1 МГц |
100 МГц |
|||
Медь |
1 |
1 |
9,3 мм |
0,66 мм |
66 мкм |
6,6 мкм |
Алюминий |
0,6 |
1 |
12 мм |
0,85 мм |
85 мкм |
8,5 мкм |
Холоднокатаная сталь |
0,16 |
200 |
1,5 мм |
0,14 мм |
100 мкм |
16 мкм |
Сплав с высокой магнитной проницаемостью |
0,03 |
10000 |
0,54 мм |
54 мкм |
–* |
–* |
Примечание. * Сплав с высокой относительной магнитной проницаемостью обычно не работоспособен на частотах выше нескольких МГц.
|
Медь, дБ |
Алюминий, дБ |
Цинк, дБ |
Сталь, дБ |
Меднение, дБ |
||||||||
Толщина, мм |
|||||||||||||
0,01 |
0,1 |
1 |
0,01 |
0,1 |
1 |
0,01 |
0,1 |
1 |
0,01 |
0,1 |
1 |
0,05 |
|
30 МГц |
7 |
70 |
700 |
5,2 |
52 |
520 |
4 |
40 |
400 |
3 |
28 |
200 |
7 |
100 МГц |
13 |
130 |
>1000 |
9,5 |
95 |
950 |
7 |
72 |
720 |
5 |
50 |
500 |
13 |
300 МГц |
22 |
220 |
>1000 |
17 |
170 |
>1000 |
12 |
125 |
>1000 |
9 |
88 |
880 |
22 |
Проблема
Все было бы хорошо, но приведенные выше цифры затухания предполагают простой однородный барьер. Можно выбрать наилучший материал, но в целом эффективность экрана будет определяться его самым слабым звеном. А правда жизни такова, что реальные корпуса никогда не делают как сплошные металлические секции: в них есть как минимум щели и стыки, через которые ЭМП попадают в корпус либо излучаются наружу. На низких частотах важна природа металла (проводимость, проницаемость), и его толщина и щели не являются проблемой. Но на высоких частотах, где любой металл обеспечивает подавление в сотни децибел (табл. 2), такие цифры практически никогда не видны, потому что швы и неоднородности могут в значительной мере ухудшить характеристики экранирования (рис. 4). Как можно видеть, затухание поля на плоском металлическом экране увеличивается с ростом частоты, но при наличии условных отверстий (читай: щелей или неоднородностей) начиная с определенной частоты оно уменьшается [7].
Щель в экране можно сравнить со щелевой антенной, которая, за исключением изменения полярности волны на 90°, ведет себя как диполь. Когда длина щели l достигает λ/2, независимо оттого, насколько мала ее высота h, эта паразитная антенна ведет себя как идеально настроенный диполь и переизлучает на «выходной» стороне всю энергию, которая ее возбуждает. Здесь может иметь место не просто переизлучение, а даже небольшое усиление около 3 дБ. Вот с этим нам и предстоит бороться. Но радует одно: ниже этого резонанса утечка ЭМП через щель сокращается по мере уменьшения частоты, но проблема еще и в том, что таких щелей с непрогнозируемой длиной может быть непрогнозируемое количество.
Итак, сделаем вывод. Идеальный экран — это клетка Фарадея, то есть сплошной токопроводящий корпус без отверстий, но на практике отверстие или чаще отверстия (имеются в виду не только круглые, но и вырезы, щели, прорези, стыки) приводят к деградации затухания, что может уменьшить требуемую эффективность экранирования. И если отверстия и прорези часто определяются самой конструкцией РЭА и их геометрию можно согласовать с ЭМП, то проблемой № 1, как мы видим, будет стык по периметру крышки корпуса, который служит экраном.
Практические решения для повышения качества экранирования
Экранирование — это «механическое» решение проблемы ЭМС. Швы существуют везде, где встречаются две части корпуса, именно они из-за их большей длины часто становятся более значительным источником утечки электромагнитного излучения, чем отверстия. Как уже было сказано, шов длиной порядка полуволны может быть очень эффективным источником излучения, подобно резонансному полуволновому диполю. При этом такие неэффективные излучателя, как электрически небольшой проводник или катушка индуктивности, станут проблемой, если будут внутри металлического корпуса с резонансной прорезью или некачественным стыком.
Шов, который на первый взгляд выглядит хорошо выполненным, часто может препятствовать прохождению поверхностных токов, что приводит к серьезным нарушениям при распространении токов в защитном экране. Например, две металлические поверхности, просто прижатые друг к другу, как показано на рис. 5a или рис. 5б, редко обеспечивают достаточно надежный контакт на высоких частотах. Окисление поверхности, коррозия и коробление металлических пластин ухудшают качество электрического контакта. Винты или заклепки, показанные на рис. 5в, могут обеспечивать хороший электрический контакт в точках, но не обязательно улучшают соединение в местах между крепежными деталями. Один из методов уменьшения импеданса швов заключается в перекрытии обеих сторон пластин внахлест, как показано на рис. 5г. Другое распространенное решение — использовать гребенчатые конструкции или прокладки, как это показано на рис. 5 д,е [6].
Основная функция прокладки — обеспечить токопроводящий путь между двумя сопрягаемыми частями шва. Прокладка в сочетании с надлежащей обработкой поверхности корпуса обеспечит хорошую электрическую непрерывность между сопрягаемыми частями, тем самым минимизируя импеданс соединения и повышая эффективность экранирования корпуса. Важно помнить, что прокладки работают, обеспечивая проводящий путь с низким сопротивлением через шов, а не просто заполняя зазор, образованный швом или специально выполненной выемкой.
Некоторые из наиболее распространенных типов прокладок включают токопроводящие эластомеры, металлические пружинные пальцы, проволочную сетку, спиральные ленты и ткань поверх вспененных диэлектриков. Новые технологии прокладок предполагают проволочную оплетку разной плотности, прокладки с формовкой по месту и штампованные элементы. У каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Прокладки доступны в различных конструкциях поперечного сечения, а также из различных материалов и поверхностей, включая олово, никель, бериллиевую бронзу (известна также как бериллиевая медь BeCu — сплав меди, содержащий 0,5–3% бериллия и в некоторых случаях другие добавки; бериллиевая бронза совмещает высокую прочность с немагнитными свойствами), серебро, нержавеющую сталь и т. д. Также доступны токопроводящие клеи и герметики, они удобны, но проигрывают металлическим элементам.
Инженер-проектировщик должен хорошо разбираться в типах прокладок и их характеристиках, чтобы правильно использовать их в местах соединения без увеличения размеров и веса электронного устройства. Примеры конструктивных элементов, используемых для обеспечения эффективности экранирования и выполнения требований по ЭМС, приведены на рис. 6.
При использовании прокладок, кроме выбора наиболее оптимального конструктивного решения, есть одна проблема — при соединении двух разнородных металлов образуется гальваническая пара. Поэтому выбираемый материал прокладки должен быть гальванически совместим с сопрягаемой поверхностью, чтобы минимизировать коррозию. Олово, никель и нержавеющая сталь совместимы между собой и не должны вызывать проблем при соединении в стык или шов. Важно, чтобы использованные конструктивные элементы и материалы сохраняли электрическую проводимость, близкую к исходной, после старения при давлении.
Большую проблему здесь представляет алюминий. Он совместим сам с собой, а также с оловом, с некоторыми покрытиями, например с хроматированием, также совместим с никелем. Серебро несовместимо с алюминием, однако оно часто применяется в качестве проводящего материала на ткани поверх прокладок из пиломатериалов и проводящего эластомера. Опыт показал, что проводящие эластомеры с серебряным наполнителем и прокладки из серебряной ткани поверх вспененных материалов не ведут себя гальванически так же, как чистое серебро. Скорее они показывают гораздо меньшую гальваническую коррозию, чем предполагалось, особенно в сочетании с алюминием. Для определения совместимости этих прокладок с различными металлами следует обращаться к данным производителя прокладки.
Конструктивные элементы в виде пружинистых гребенок часто изготавливаются из бериллиевой бронзы, поскольку она является наиболее проводящим из всех пружинистых материалов. Однако она плохо совместима с другими материалами. Поэтому, когда для обеспечения экранирования используются конструктивные элементы из этого сплава, они должны быть покрыты оловом или никелем для образования совместимой гальванической пары с корпусом; без риска нарушения экранирования детали из бериллиевой бронзы без покрытия можно соединять только с элементами, выполненными из того же сплава. Если проектируется РЭА вне требований Директивы RoHS [10] (что бы мы, разработчики, о ней ни думали), то гребенки из бериллиевой бронзы допускается покрывать кадмием — для обеспечения большей эффективности экранирования и долговечности, особенно при воздействии на РЭА морского тумана.
На рис. 7 показаны измеренные данные передаточного импеданса для различных гальванических пар до и после старения. Если требуется более подробная информация, можно обратиться к такому документу, как ARP 1481 «Контроль коррозии и электропроводность в конструкции корпуса», рекомендованному Обществом автомобильных инженеров для аэрокосмической промышленности [5]. Документ содержит обширную таблицу совместимости различных комбинаций гальванических пар почти для пятидесяти металлов, сплавов и покрытий, разработанную опытным путем, а также на основе тестирования и фактического использования.
Для того чтобы гарантировать соединение с низким сопротивлением, конструкция шва должна обеспечивать достаточное давление для надлежащего сжатия прокладочного материала. Однако если прокладка сжата слишком сильно, она будет необратимо деформирована и потеряет свою упругость. Соответственно, последующая сборка и разборка экрана или корпуса уже не обеспечит достаточного сжатия для гарантии ЭМС. Во избежание остаточной деформации при сжатии и предотвращения превышения максимального значения сжатия для прокладки, в шов должны быть встроены механические упоры, чей размер обычно составляет 90% диаметра или высоты прокладки.
Другой подход — установить прокладку в паз, специально выполненный в корпусе (как на примере на рис. 8). Но при использовании канавки важна не только ее глубина, но и ширина. Поперечное сечение канавки должно быть таким, чтобы хватило места для полностью сжатой прокладки. Канавки «ласточкин хвост», хотя и более дорогие, часто могут быть очень эффективно использованы в этом приложении. Правильно спроектированная канавка «ласточкин хвост» имеет дополнительное преимущество, предотвращающее выпадение прокладки из канавки при разборке. Большинство основных производителей прокладок имеют квалифицированные отделы технической помощи, с которыми следует консультироваться при выборе правильной прокладки и отделки поверхности для предполагаемого применения.
Повторим главное: весь периметр экрана должен иметь надежный при любых воздействиях (климатических, механических) электрический контакт с корпусом. Следует помнить, что цель экрана — позволить току течь через неоднородность (щель, отверстие, вырез и т. п.), а не просто закрыть ее. Важно, чтобы прокладка находилась в прорези и на внутренней стороне от винтов, это необходимо для защиты от утечки ЭМП вокруг крепежных отверстий. Естественно, для обеспечения непрерывности электрического соединения через стык или шов на металле не должно быть лакокрасочных покрытий, окислов и изоляционных пленок. Сопрягаемые поверхности должны быть защищены от коррозии исключительно и только проводящим покрытием. При правильном подходе к выбору экрана и конструктивных уплотняющих элементов конечная цель будет достигнута. Пример такого решения представлен на рис. 8.
Для качественной реализации ЭМС путем экранирования достаточную известность в Российской Федерации получила продукция компаний Holland Shielding, Laird, EMC, EXPAN и Soliani. При этом наиболее часто применяются следующие типы токопроводящих уплотнительных конструктивных элементов, позволяющих улучшить экранирование и решить вопросы электромагнитной совместимости:
- токопроводящие (электропроводящие) эластомеры;
- вязаная проволочная сетка (плетенка);
- прокладки из пенорезины, покрытые токопроводящей тканью;
- металлические гребенки: бериллиевая бронза/нержавеющая сталь.
Токопроводящие (электропроводящие) эластомеры
Токопроводящие (электропроводящие) эластомеры (рис. 9) изготавливаются из упрочненного силикона (фторосиликона), наполненного электропроводящими частицами, что обеспечивает высокую электропроводность, экранирование, пыле- и влагонепроницаемость. В качестве наполнителя выступают различные материалы, от углерода до чистого серебра. Наиболее популярными являются графит с никелевым покрытием и посеребренный алюминий. Оба имеют низкий удельный вес, что делает их наиболее экономичными по сравнению с наполнителями на основе меди или никеля. Графит с никелевым покрытием очень экономичен, поскольку в 3–5 раз дешевле, чем посеребренный алюминий, и все же обеспечивает практически равную эффективность экранирования. Эластомеры доступны для заказа в листах, в виде различных профилей (жгутов) и штампованных уплотнительных прокладок. Область применения: при производстве телекоммуникационного, оборонного, медицинского и промышленного электронного оборудования.
Металлическая плетенка
Металлическая плетенка (рис. 10) считается распространенной токопроводящей прокладкой: она экономична, может устанавливаться в пазы или монтироваться на поверхности (с креплением). Обычно используют четыре различных варианта проволоки: монель, представляющий собой сплав никеля и меди; покрытая луженой медью плакированная сталь; алюминий и нержавеющая сталь. Эти различные типы плетенок предлагают выбор (помогут в решении вопроса) для гальванической совместимости и решения проблем с коррозией. Плетенка обеспечивает высокую производительность в магнитных полях, особенно если выполнена из такого материла, как TCS (Tin Clad Copper Steel wire — медистая сталь, покрытая оловом). Этот материал благодаря стали обладает высокой магнитной проницаемостью, медь же делает его электропроводным, а олово защищает от коррозии, при этом он легко формуется для сложных форм. Плетенки изготавливаются по типу кабельных экранов, такая плетенка обладает высокой плотностью, или по типу трикотажной вязки с меньшим расходом металла и большей гибкостью. При хорошем соединении с носителем плетенка обеспечивает приемлемую герметичность и защиту от пыли и влаги. Она предпочтительна для жестких условий эксплуатации (включая оборудование военного назначения), поскольку плетенка в отличие от токопроводящих эластомеров обладает лучшей проводимостью. Однако она не слишком эффективна на высоких частотах. Если не добавить больше слоев проволочной сетки, ее эффективность экранирования начинает снижаться после 1 ГГц. Для высокочастотного экранирования прокладки на основе фольги, такие как Amucor Shield 6800 компании Holland Shielding, из-за их значительно большей контактной поверхности будут более эффективны.
Прокладки из пенорезины, покрытые проводящей тканью
Прокладки из пенорезины, покрытые проводящей тканью (рис. 11), хорошо зарекомендовали себя в коммерческом оборудовании. Прокладки состоят из двух слоев: губчатого резинового уплотнения и слоя из хорошо проводящей износостойкой металлизированной ткани. Обычно крепятся на поверхности и обеспечивают хорошее уплотнение сопрягаемых деталей (дверок) шкафов. Популярны в портативных компьютерах, игровых автоматах и т. д. для заземления. Не обеспечивают влагонепроницаемость. Экранирование хорошо работает на высоких частотах до 10 ГГц. По пожаростойкости многие профили соответствуют уровню UL 94V 0.
Металлические гребенки (Fingerstock)
Металлические гребенки (Fingerstock) (рис. 12) эффективны для экранированных помещений, где они обеспечивают высокую производительность и предназначены для решения в том числе и гальванических проблем. Большие профили подвержены механическим повреждениям, поэтому рекомендуется регулярный визуальный осмотр. Несмотря на то что в твердой форме бериллиевая бронза (BeCu) не представляет никакой опасности для здоровья (опасна только при изготовлении), бериллий относится к канцерогенам, и в связи с этим изделия из него теряют свою популярность. Альтернативой служит нержавеющая сталь, но она обеспечивает менее качественные характеристики по импедансу при сжатии и, соответственно, экранированию. В зависимости от применения на металл может быть нанесено покрытие из золота, серебра, кадмия, никеля и т. д.
Amucor — алюминиевая фольга с армирующей сеткой
Amucor — это алюминиевая фольга с армирующей сеткой (рис. 13), которая используется для экранирования от ЭМП в тех случаях, когда требуется прочная, но очень широкая экранирующая пленка. С помощью фольги или ленты 4706 Amucor производства компании Holland Shielding можно легко решить многие проблемы с электромагнитным излучением. Экранирующая фольга Amucor поставляется с или без (самопроводящего) самоклеящегося материала и дополнительного изолирующего слоя.
Amucor Shield 6800 — это доступная вы-сокочастотная прокладка, очень эффективная в сочетании с оцинкованными стальными и алюминиевыми конструкциями. Серия прокладок Amucor Shield 6800 выполнена из вспененного неопрена или ПВХ, покрытых армированной фольгой на основе сплава Amucor. Использование таких конструктивных элементов гарантирует хорошие характеристики экранирования и высокую прочность. Что касается частотных свойств, Amucor Shield 6800 показывает высокую эффективность на гигагерцевых частотах, где обычные плетенки теряют свои экранирующие свойства.
Заключение
Как можно видеть даже из кратко изложенного в статье материала, в настоящее время разработчикам электронной и электротехнической продукции, предназначенной для эксплуатации в жестких с точки зрения ЭМС условиях, предлагается достаточный выбор решений. Применение для экранирования представленных в статье вспомогательных конструктивных элементов дает возможность повысить надежность и эксплуатационные характеристики конечного оборудования, гарантируя устранение влияния на внутренние каскады не только неблагоприятных воздействий внешней среды, но и ЭМП.
При выборе прокладки для обеспечения экранирования конкретного каскада или конечного продукта разработчику необходимо учитывать такие факторы, как:
- требуемая степень герметичности;
- наличие механических нагрузок;
- диапазон рабочих температур;
- частотный диапазон;
- характеристики окружающей среды (нормальные условия, высокая влажность, соляной туман и т. д.);
- силы сжатия/нагрузки;
- способы крепления/монтажа;
- требования к расстоянию между крепежными элементами;
- радиус изгиба;
- ремонтопригодность;
- гальваническая совместимость с материалом основного экрана.
Для того чтобы добиться успеха, команды разработчиков должны работать как единый слаженный механизм, не забывая, что они делают одно общее дело [9]. Ведь проблемы ЭМС решаются только сообща и комплексно.
- Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от решения которой не уйти // Компоненты и технологии. 2017. № 7.
- Уайтт К. Особенности конструирования печатных плат с выполнением требований по ЭМС // Компоненты и технологии. 2019. № 6.
- Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобразователей: входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии. 2015. № 8.
- Рентюк В. Малые экранирующие корпуса как еще одно эффективное решение проблемы ЭМС // Компоненты и технологии. 2018. № 7.
- ARP 1481 Corrosion Control and Electrical Conducti-vity in Enclosure Design. Note: Approved 2004-08-00.
- learnemc.com/practical-em-shielding
- Shielding of Boxes and Enclosures (Part 2).
- Ott H. W. Electromagnetic Compatibility Engine-ering. Wiley, 2009.
- Рентюк В. Устранение конфликта интересов и оптимизация организации работ при проектировании РЭА // Технологии в электронной промышленности. 2014. № 7.
- Рентюк В. RoHS-директива: защита экологии или рынков? // Технологии в электронной промышленности. 2013. № 5.