Εισαγωγή

Η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) είναι μια αδιαπραγμάτευτη απαίτηση για σύγχρονες φορητές συσκευές, από smartphones και tablets σε ιατρικά φορητά και βιομηχανικά φορητά. Η κακή απόδοση EMC μπορεί να οδηγήσει σε ανακλήσεις προϊόντων, δαπανηρούς επανασχεδιασμούς, ακόμη και κινδύνους για την ασφάλεια. Καθώς οι συσκευές συρρικνώνονται σε μέγεθος και συσκευάζουν υψηλότερη ισχύ επεξεργασίας, το περίβλημα γίνεται η πρώτη και συχνά πιο αποτελεσματική γραμμή άμυνας ενάντια στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI).

Θεμελιώδη του EMC σε φορητές συσκευές

Η EMC περιλαμβάνει δύο πτυχές: εκπομπές[ (απρόθυμη ακτινοβολούμενη ή αγώγιμη ενέργεια από τη συσκευή) και ανικανότητα[] (η ικανότητα της συσκευής να λειτουργεί σωστά παρουσία εξωτερικού EMI). Για φορητά ηλεκτρονικά, αυστηροί κανονισμοί όπως FCC Μέρος 15 (ΗΠΑ) και EN 55032 (ΕΕ) καθορίζουν όρια για τις εκπομπές που εκπέμπονται από ακτινοβολία και πραγματοποιείται.

Οι κοινές πηγές του EMI μέσα σε μια φορητή συσκευή περιλαμβάνουν:

  • Ψηφιακά ρολόγια υψηλής ταχύτητας και λεωφορεία δεδομένων
  • Μετατροπείς ισχύος εναλλαγής (π.χ. μετατροπείς συνεχούς ρεύματος-DC)
  • Ασύρματες πομποί (Wi-Fi, Bluetooth, κυψελοειδές)
  • Ηλεκτροστατική εκκένωση (ESD) γεγονότα μέσω των λιμένων

Η ενέργεια EMI μπορεί να ενωθεί μέσω ακτινοβολημένων πεδίων (φάρδος-πεδίο και κοντά-πεδίο) ή πραγματοποιείται διαδρομές κατά μήκος καλωδίων και ιχνών.

Ρόλος του υλικού περίφραξης

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η μαγνητική διαπερατότητα και το πάχος του υλικού καθορίζουν την [[LFT:0]] αποτελεσματικότητα της έλιξης (SE)[[LFT:1]], μετρούμενη σε ντεσιμπέλ (dB). Όσο υψηλότερη είναι η SE, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξασθένηση του EMI. Για φορητές συσκευές, βάρος, κόστος και κατασκευαστικότητα επιβάλλουν πρόσθετους περιορισμούς.

Μέταλλα

Τα μέταλλα παραμένουν το πρότυπο χρυσού για την θωράκιση EMI. Αλουμίνιο, κράματα μαγνησίου, και χάλυβα είναι κοινές επιλογές:

  • Αλουμινίου: Ελαφριά, ανθεκτική στη διάβρωση και ευρέως διαθέσιμη. Η αποτελεσματικότητα της ασπίδας του αλουμινίου των 0,5 mm μπορεί να υπερβεί τα 60 dB έως 1 GHz. Ωστόσο, απαιτεί προσεκτική γείωση στις ραφές.
  • Κράματα μαγνησίου: Ακόμα ελαφρύτερο από το αλουμίνιο, με καλή δυσκαμψία. Χρησιμοποιείται σε premium φορητούς υπολογιστές και ταμπλέτες. Προσφέρουν παρόμοια SE, αλλά είναι πιο ακριβά και επιρρεπή σε γαλβανική διάβρωση.
  • Ατσάλι (καμινόφυλλο ή ανοξείδωτο):[ Η υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα παρέχει καλύτερη θωράκιση σε χαμηλές συχνότητες (π.χ. 50 Hz ⁇ MHz).

Τα μεταλλικά περιβλήματα μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως νεροχύτες θερμότητας, βοηθώντας τη θερμική διαχείριση ⁇ ένα διπλό όφελος.

Πλαστικά

Τα μη τροποποιημένα πλαστικά (ABS, PC, πολυκαρβονικό) είναι ηλεκτρικά μονωτικά και παρέχουν αμελητέα θωράκιση. Για να τα κάνουν συμβατά με την EMI, οι σχεδιαστές εφαρμόζουν αγώγιμες επικαλύψεις ή ενσωματώνουν αγώγιμα πληρωτικά:

  • Συνδυαστικές επικαλύψεις: Ψεκαστήρες ή ηλεκτρολυτικά επιμεταλλωμένα στρώματα νικελίου, χαλκού ή αργύρου. Οι συνδυασμοί νικελίου-χαλκού προσφέρουν καλή SE (30 ⁇ 50 dB) ενώ το κόστος εξισορρόπησης.
  • Συνθετικά πλαστικά: Ρητίνες γεμάτες με ανθρακονήματα, ίνες από ανοξείδωτο χάλυβα, ή γραφίτη με επίστρωση νικελίου. Εξαλείψουν τα δευτερεύοντα στάδια επικάλυψης αλλά έχουν χαμηλότερα SE από τα μέταλλα (συνήθως 20 ⁇ 40 dB) και υψηλότερο κόστος υλικού.

Τα πλαστικά ευνοούνται όταν απαιτείται το βάρος, η σύνθετη γεωμετρία ή η διαφάνεια ραδιοσυχνοτήτων (για ολοκληρωμένες κεραίες). Σε τέτοιες περιπτώσεις, η επιλεκτική θωράκιση ⁇ επικάλυψη μόνο των εσωτερικών επιφανειών ⁇ μπορεί να διατηρήσει την απόδοση της κεραίας.

Σύνθετα και υβρίδια

Σύνθετα περιβλήματα συνδυάζουν στρώματα από μέταλλο και πλαστικό για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης. Για παράδειγμα, ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο με ένα πλαστικό εξωτερικό κέλυφος μπορεί να παρέχει υψηλή SE, ενώ επιτρέπει προσαρμοσμένα χρώματα και υφές. Μια άλλη προσέγγιση χρησιμοποιεί metal έγχυση χύτευση (MIM)[[LFT:1]] για ολοκληρωμένες δομές θωράκισης μέσα σε ένα πλαστικό πλαίσιο.

Σχετίσεις σχεδιασμού περιβλήματος για το βέλτιστο EMC

Το φυσικό σχέδιο του περιβλήματος ⁇ οι ραφές, τα ανοίγματα και η στρατηγική γείωσης ⁇ συχνά καθορίζει την επιτυχία του πραγματικού κόσμου EMC.

Στεφάνες, αρθρώσεις και φλάντζες

Κάθε άρθρωση ή ραφή σε μεταλλικό περίβλημα λειτουργεί ως μια πιθανή κεραία υποδοχή, αν δεν είναι σωστά δεμένη.

  • Με αγώγιμες φλάντζες (ελαστομερή γεμάτα με άργυρο ή γραφίτη νικελίου) σε αφαιρούμενα καλύμματα και πόρτες συσσωρευτών
  • Φλάντζες για αποκόμματα δακτύλων για εφαρμογές υψηλής συχνότητας (άνω των 1 GHz)
  • Συγκόλληση, συγκόλληση με αγώγιμες συγκολλητικές ύλες ή χρήση πολλαπλών συνδετήρων με απόσταση μικρότερη από λ/20 με τη μεγαλύτερη συχνότητα ανησυχίας
  • Η διασφάλιση όλων των μεταλλικών μερών συνδέεται ηλεκτρικά με χαμηλή παρεμπόδιση στο επίπεδο εδάφους του συστήματος

Διάφραγμα και εξαερισμός

Για ένα ορθογώνιο διάφραγμα, το SE πέφτει περίπου 20 dB ανά δεκαετία αύξηση του μήκους των υποδοχών. Οι σχεδιαστές μπορούν:

  • Χρήση αεραγωγών κηρήθρας με αγώγιμο πλέγμα για ροή αέρα, ενώ τη διατήρηση SE
  • Τοποθετήστε διαφράγματα στην αντίθετη πλευρά από τις κύριες πηγές ακτινοβολίας
  • αγώγιμες φλάντζες εργασίας γύρω από τα μπουζί και τις τρύπες από κουμπιά
  • Χρήση σχεδίων κυματοδηγού-χαμηλής κοπής για κυκλικές οπές (π.χ. για μικρόφωνο ή έξοδο LED)

Διαχείριση καλωδίων και συνδετήρων

Τα καλώδια που εισέρχονται ή εξέρχονται από το κατάλυμα λειτουργούν ως κεραίες.

  • Χρήση σφαιρών φερρίτη ή πνίξεων κοινής λειτουργίας σε εσωτερικά καλώδια
  • Θωράκιση καλωδίων γείωσης και στα δύο άκρα με επαφή 360° (τα μικροσκόπια μειώνουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα)
  • Καλώδια κύλισης μακριά από διάφραγμα και κατά μήκος των άκρων του περιβλήματος
  • Προσθήκη πυκνωτών ή συνδετήρων φίλτρου σε όρια περιβλήματος

Εσωτερική διάταξη διαχωρισμού και συνιστώσας

Η φυσική διάταξη των τμημάτων PCB μπορεί να μειώσει το βάρος στο περίβλημα. Ομαδικά θορυβώδη κυκλώματα (π.χ., τροφοδοτικά λειτουργίας διακόπτη) μακριά από ευαίσθητα αναλογικά ή κυκλώματα RF. Εξετάστε την προσθήκη εσωτερικών κουτιών θωράκισης ή μεταλλικών τοίχων (που χρησιμοποιούνται ως μέρος του περιβλήματος) για την απομόνωση τμημάτων υψηλής συχνότητας.

Υλικό Πάχος, ποιότητα επιφάνειας, και δερματική επίδραση

Σε υψηλές συχνότητες, το επίδραση δέρματος[ περιορίζει το ρεύμα σε ένα λεπτό στρώμα κοντά στην επιφάνεια. Για χαλκό στα 1 GHz, το βάθος του δέρματος είναι περίπου 2 μm ⁇ έτσι ένα επίχρισμα 5 μm είναι αρκετό για τις περισσότερες εφαρμογές υψηλής συχνότητας. Σε χαμηλότερες συχνότητες (π.χ. 100 kHz), το βάθος του δέρματος στο αλουμίνιο είναι ~260 μm, απαιτώντας παχύτερο μέταλλο ή χάλυβα χαμηλών εκπομπών άνθρακα για επαρκή εξασθένηση.

Ποιότητα επιφάνειας θέματα: τραχιά επιφάνειες, γρατσουνιές, ή κακώς εφαρμοσμένες επικαλύψεις μπορούν να αυξήσουν την επιφανειακή αντίσταση και να μειώσουν SE. Ηλεκτρολέκτες νικελίου-βάπτιση χρυσό (ENIG) ή επιμετάλλωση αργύρου χρησιμοποιούνται συχνά για να διατηρήσουν χαμηλή αντίσταση επαφής σε ραφές και διεπαφές φλάντζα.

Προηγμένες τεχνικές περίφραξης

Για συσκευές με ακραίες απαιτήσεις EMC (ιατρική, στρατιωτική, αυτοκινητοβιομηχανία), τα πρόσθετα μέτρα περιλαμβάνουν:

  • Κυψέλες πολλαπλών στρώσεων: Ένα μεταλλικό εσωτερικό κέλυφος που περιβάλλεται από πλαστικό εξωτερικό περίβλημα δημιουργεί ένα κλουβιό Faraday συν αισθητική ευελιξία.
  • Συνδυαστικός αφρός και φλάντζες υφάσματος-υπεραφρώδους για εφαρμογές υψηλής συμπίεσης.
  • Ασπίδες επιπέδου σκάφους (BLS): Μεταλλικά δοχεία ή πλαίσια που συγκολλούνται απευθείας στον PCB, συμπληρωματικά προς τον περίβολο.
  • Ηλεκτρομαγνητικά απορροφητικά υλικά (πετρίδια φερρίτη, πολυμερή με άνθρακα) τοποθετημένα στο εσωτερικό του περιβλήματος για την απομείωση των αντοχών της κοιλότητας.

Διόδων δοκιμών και συμμόρφωσης

Η επικύρωση των επιδόσεων EMC θα πρέπει να πραγματοποιηθεί νωρίς στον κύκλο σχεδιασμού. Προ ⁇ δοκιμές συμμόρφωσης με αναλυτή φάσματος και καθετήρες κοντά σε πεδίο μπορούν να πιάσουν ζητήματα πριν από την επίσημη πιστοποίηση.

  • Δοκιμή ακτινοβολημένων εκπομπών (30 MHz ⁇ 1 GHz για τις περισσότερες καταναλωτικές συσκευές, έως 40 GHz για εξοπλισμό πληροφορικής)
  • Δοκιμή εκπομπών που πραγματοποιήθηκε (150 kHz ⁇ 30 MHz)
  • Δοκιμή ανοσίας (ESD, ακτινοβολημένες, ηλεκτρικές γρήγορες παροδικές)

Ανατρέξτε σε GFC RF Safety rules και IEC 61000 series για τα ισχύοντα πρότυπα. Πολλοί σχεδιαστές προϊόντων επίσης αξιοποιούν πόρους από Laird Performance Materials] ή [3M EMI Shielding[] για καθοδήγηση επιλογής υλικού.

Συμπέρασμα

Τα μέταλλα προσφέρουν υψηλή αποτελεσματικότητα θωράκισης στο κόστος του βάρους, ενώ τα πλαστικά απαιτούν συνετή χρήση επιστρώσεων ή πληρωμάτων. Ο σχεδιασμός πρέπει να αντιμετωπίζει ραφές, διαφράγματα, γείωση και δρομολόγηση καλωδίων για να αποφευχθεί η δημιουργία ακούσιων κεραιών. Εξετάζοντας το βάθος του δέρματος, την ποιότητα της επιφάνειας και τις προηγμένες τεχνικές όπως πολυστρωματικές κατασκευές και απορροφητικά υλικά, οι μηχανικοί μπορούν να ισορροπήσουν την απόδοση EMC με μηχανικούς και εμπορικούς περιορισμούς. Η έγκαιρη συνεργασία μεταξύ μηχανικών EMC, μηχανολόγων σχεδιαστών και κατασκευαστικών συνεργατών εξασφαλίζει ότι το περίβλημα γίνεται πλεονέκτημα και όχι ευθύνη στο ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον.