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本文始於2017,在不涉及艱澀的電磁學理論前提下,以深入淺出的方式介紹各種不同耦合問題的解決方式,由其是低頻屏蔽對策。一般我們說low frequency shielding指的是(near field) magnetic shielding at low frequency,主要由power module所產生,如converter、inverter。
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Magnetic Field Coupling and Strategies 磁場耦合與對策
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Q&A
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Coupling Path 耦合路徑
There are 4 possible EM coupling mechanisms 耦合的物理機制有四種,分別有不同的處理方法
Conducted Coupling 傳導耦合
Electric Field Coupling 電場耦合
Magnetic Field Coupling 磁場耦合
Radiation Coupling 輻射耦合
共地耦合是最常見的傳導耦合,可以透過PI設計優化來處理。請注意這裡我講PI優化設計,而不是講"分地",原因是分地只是PI優化的方法之一,而分地需要注意的地方其實很多,沒做好反而可能導致ESD、EMI變差 。[1][2]
另外,此類問題還常被討論的是單點接地與多點接地不同的layout方式產生的影響,這部份有興趣的讀者可以找到很多書籍文章在談這問題,本文不多加贅述。
3.1 電場是有起點與終點的向量場,由高電壓往低電壓,由正電荷往負電荷流動。[3]
其有效的屏蔽方式是透過接地的良導體隔離。接地很關建,良導體也很重要,沒接地的屏蔽效果會很差。
接地對電場屏蔽很重要。接地、接地、接地 ... 因為很重要,所以說三次。
3.2 電場可以透過接地屏蔽截斷它,或透過不同的接地位置而改變電場分佈方向
E Field lines are able to be intercepted and redirected. [3]
3.3 在傳統教EMC的教科書裡,各位很容易可以找到下圖所示[4],同軸電纜外圍的導體包覆是否有接地對屏蔽效果的影響。它就是在說明接地屏蔽電場有效,若兩端接地有迴路電流可以產生反向的磁場,那才可以達到屏蔽磁場的效果,也就是我們接著step4.2要說明的
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Magnetic Field Coupling and Strategies 磁場耦合與對策
磁場是一個由電流(移動電荷)所產生的閉迴路向量場,並沒有起點與終點,所以不能被切斷 或終止(不能像電場一樣被接地吸收),只能讓它轉彎(re-direction)或是抵消。
接地對屏蔽低頻磁場無效
4.1 LF Magnetic Field Shielding
透過包覆導磁性材料,引導磁場在導磁性材料內流動(改變磁路),達到避免干擾目標受體(protect receiver)的目的。[3]
遠場的低頻屏蔽主要以反射損耗RdB項為主,而近場的低頻屏蔽要靠導磁性材料包覆[6]
e.g. [5]
4.2 HF Magnetic Field Shielding
透過導體上產生的感應渦電流(induced eddy current),產生反向的磁場與原磁場相互抵消,達到避免干擾目標受體的目的。
遠場的高頻屏蔽主要以入射(吸收)損耗 AdB 項 為主,而近場的高頻屏蔽要靠導電性材料包覆產生感應電流底消原磁場
頻率多高算高頻磁場?一般約數kHz可以產生感應渦電流。[3]p.26
如下圖(a)所示,耦合來源是左側的橘色磁力線,當在受體下方貼一片導體時,由於磁場在該導體上誘發出感應渦電流(induce eddy current)會貢獻反向的磁力線,如(b)藍色線所示,最後的磁場會變成圖(c)所示。
e.g. [5]
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Radiation Coupling and Strategies 輻射耦合與對策 [6][7]
請參考本站在2014年的專題文章,Shielding Effect。注意近場屏蔽與遠場屏蔽的Shielding Effect是不同的;遠場的低頻屏蔽主要以反射損失RdB為主,而近場的低頻屏蔽要靠導磁性材料包覆。
如果你是以IC封裝角度,討論IC或RF module被金屬上蓋包覆的屏蔽效果,也就是近場屏蔽,那要以本文sec3, 4討論的內容為主。
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Q&A
6.1 低頻磁場與高頻磁場屏蔽對策的分水嶺是什麼?
Ans:KHz以下屬於低頻磁場屏蔽,靠導磁性材料包覆雜訊源或敏感受體,達到屏蔽保護目的。數KHz以上屬於高頻磁場屏蔽,靠包覆 的良導體上產生感應電流的磁場底消原磁場的耦合效應。
所以選用導電性還是導磁性材料,或是內層鍍導電性外層包導磁性...,這都有學問在裡面的。理想的包覆IC的屏蔽結構,應該是內層面(靠近source)用高導電性材料屏蔽電場(必須接地),外層再以導磁性材料包覆 ,講究一點的,導磁性材料還可以分兩層(低導磁性與高導磁性貼合)[8]p.36,以避免飽和。這裡的導電性材料,同時扮演屏蔽電場與高頻磁場的角色,而導磁性材料主要用在屏蔽低頻磁場。
如果在意的是全頻帶屏蔽,那導磁性與導電性材料的厚度與屏蔽效能都有關,如果只在意低頻屏蔽,那導電性材料可以薄一點,導磁材料則厚一點好。
The recommended structure should be:IC (source) -- thin Cu -- thick Ni (Iron or steel) -- air ... 不小心就把know-how講完了
6.2 屏蔽低頻磁場,除了貴又厚重的導磁性材料,有沒有其他方法?
Ans:2011有一篇paper介紹一種導電性材料+空氣+導磁性材料的三層夾心低頻屏蔽方法[9]。
[1] D.C. Smith, "ESD Immunity in System Designs, System Field Experiences and Effects of PWB Layout"
[2] Circuit Board Layout for EMC, Example3
[3] Todd H. Hubing, "Shielding", IEEE EMC Symposium Fundamentals Workshop 2014. (推薦)
[4] oldfriend. http://www.oldfriend.url.tw/EMC/3%20Grounding.pdf, p.50
[5] oldfriend, http://www.oldfriend.url.tw/EMC/4%20Shielding.pdf, p.9,10
[6] oldfriend, "Shielding Effect", 2014
[7] Frank Leferink, "Fort Lauderdale, Tutorial on EMC Fundamentals: Shielding", IEEE EMC Symposium 2010. (推薦)
[8] Lesson9 -- Shielding, 台大吳宗霖教授2012 EMC課程
[9] O. Losito¹, "Low frequency Shielding Improvement by Multilayer Design", IEEE EMC Europe 2011
[10] A. Keshtkar, "Magnetic Shield Effectiveness in Low Frequency", International Journal of Computer and Electrical Engineering 2011