EMI與屏蔽,接地是必須的嗎?

回籠再當會社畜之後,似乎就沒什麼心神更新部落格

再加上總覺得部落格已經是快要過氣的東西了,更沒精神寫文章

疫情的關係,忽然時間多了一些些,與其在臉書吐口水,不如稍微整理一下筆記

回歸正題,今天要談的主題是EMI與接地屏蔽,算是一部分的筆記整理歸檔

小弟的本職是在被動元件的SI,因為電子業精細的分工,術業有專攻,這邊就不談太深的問題

有謬誤的地方還請各方高手指導

今天要討論的主題大約是 " 到底屏蔽需不需要接地? "

我們先談EMI (電磁干擾)

通常可以用下面這個簡單的圖示來表示我們常聽到的EMI到底講的是什麼

就如同最近的在家辦公潮一樣

大概就是說,我既要防止自己吵到別人,也要能耐得住別人吵到我

既然是電磁干擾

很多人直接聯想到的就是電磁波

事實上電磁"波"只是電磁干擾的一部分

還有一部分是經過傳導而來干擾你的

好比你家的洗衣機一開始運作,可能相同迴路上的某些東西(好比音響或是電視)就會被受到影響

然而,即使不是透過電線

還是可以由電磁場的耦合來干擾你

想像一下,你的RF ID門禁卡,或甚至是無線充電系統,基本上就是一種不是電磁波的電磁耦合

既然是電磁場,那就有必要討論一下,到底是電場,還是磁場?

我們界定干擾到底是磁場來源或是電場來源

通常是看干擾源是由電流主導能量，還是電壓主導

如果是已經發射出去了，變成波的能量，傳遞一段距離了

基本上就是電磁波，電磁場並存

因為電生磁，磁生電

傳播的夠遠之後，稱為遠場，在空氣中阻抗377歐姆

這個遠不遠，是用波長的倍數來界定，而不是絕對的長度

這個阻抗值代表電場強度與磁場強度的比值

電磁波（或是訊號）傳遞時，需要路徑上的阻抗是匹配的

這個阻抗叫做特徵阻抗，不是一般的被動元件的阻抗

路徑上的特徵阻抗不匹配時，就代表電磁波的電磁場比值就無法連續/延續

這時候就會反彈部分能量

一般用金屬做遮蔽，金屬的阻抗很低，大概可以當作零

377歐姆的電磁波能量，遇到極端的短路時，不會被吸收,而是會整個反彈回去

所以如果是遠場的電磁波，我們給的金屬遮罩應該是不需要接地也會有效的

如果是磁場主導的近場，靠近干擾源比較近的位置

要阻隔磁場干擾，唯一的方式只有厚重的高導磁材料

好比用氧化鐵粉蕊的材料厚厚的包起來，讓磁力線不容易穿透的厚度

實務上很難達成，所以近場的磁場干擾很難屏蔽

通常就參考台電的變電所,將線圈設計成比較不會造成磁漏的形式來減少磁場干擾

如果是近場的電場源又如何？

變化的電場內如果有金屬

電場能量會讓局部電荷變動

我們相簡化問題,先考慮靜電場

如果懸空一塊金屬，一開始電荷如果是平衡的，那整體的電荷就會繼續保持平衡

如果有靜電場讓一邊的電荷增多了，那麼另一邊就會邊少，整體還是平衡

但如果你把金屬接地，這時候整體的電荷就不會處於平衡狀態

一邊多了，另一邊會因為接地而導掉（或是補回）電荷

所以另一邊就不會有變動，不受靜電干擾

如果是有頻率的狀態就麻煩了

主要是看電荷變化的速度，簡而言之就是看頻率

如果頻率不高，跟靜電場一樣，接地會導掉雜訊，就是前面靜電場的電荷移動的一樣狀態與機制

只要接地線夠粗就好了

如果頻率很高呢

這時候我們考慮的是對高頻訊號的阻抗

這些波動的能量會回歸與電磁波一樣的行為

看傳輸線阻抗是否匹配

也就是你的接地路徑必須要有匹配的特徵阻抗,才有辦法導掉這些高頻雜訊

想當然，在某個頻率以上，阻抗怎樣都是很不匹配的

因此這些能量要由地迴路導掉的行為，恐怕問題也就沒這麼單純了

要注意的是,頻率到底多高才是高頻?

前面講過了,看東西大小與波長的比例

如果東西很大,頻率相對比較低的時候,對它就算高頻了

我們在解析這些問題的時候,必須要考慮好整體的應用,再來簡化模型,如此才有辦法得到解答

文末,補充一些大部分電器或是3C產品都會測試的項目

各位可以發現,除了輻射來源的 "電磁波" 以外,還有很多其他的測項都算在EMC裡面

如開頭所說,EMC各方面都是很複雜的專業,從法規到測試,從設計到除錯,每一項都很專業

我們今天先談到這邊就好了