EMC電磁屏蔽：靜電、磁場與天線耦合
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不管什麼電子產品，EMC始終是其需要面對的問題，EMC全拼是Electromagnetic Compatibility即電磁兼容性，EMC分爲EMS（electromagnetic susceptibility）電磁抗擾度和EMI（ Electromagnetic interference）電磁干擾兩部分，一個是評估產品自身穩定性的，另一個是評估產品對外噪聲水平的，都是產品質量的重要指標，本文以手機爲例，介紹EMC、靜電浪涌的基本原理以及常見解決措施，有助於指導工程師PCB layout以及解決實際EMC問題。
萬事萬物皆有干擾，有干擾纔有抗干擾，解決EMC問題就有3大方向，圍繞這三大方向，可以幻化出非常多的解決措施，太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦千變萬化。這3大方向分別是干擾源、干擾傳播路徑、干擾受體。
世界上沒有無緣無故的愛，也沒有無緣無故的恨，咱們就先從干擾源談起。
而按照干擾傳播路徑，有空間和傳導兩種干擾，不同的路徑有不同的干擾源。
咱們就說說靜電耦合、磁場耦合和天線耦合。
1. 靜電耦合
靜電耦合對電場敏感，也叫電場耦合或容性偶爾還，一般電壓大電流小，其簡化模型如下：干擾方和受害方之間通過電容耦合，干擾方產生的電場會通過電容（pF級別）作用於受害方，進而在受害方產生噪聲，這就是靜電干擾。
如果受害方阻抗大，那麼產生的干擾也會變大，這就是高阻抗電路更容易接收噪聲的原因之一。
那麼緩解靜電耦合引起的干擾手段有哪些呢？
增加間距。通過減小耦合電容，來降低干擾。
縮短耦合長度。減小兩條走線平行部分的長度，相當於減少了並聯的電容，進而降低耦合電容引起的干擾。
靜電屏蔽。金屬接地屏蔽，阻斷干擾方和受害方，如下圖。
降低干擾源電壓。
在干擾源源端濾波。
2. 磁場耦合
有愛必有恨，有電容就有電感，二者是對偶器件，磁場耦合就是基於感性的耦合，也叫感性耦合，電壓小電流大，當導線流過電流時，會產生磁場，磁場會通過互感作用於受害線路，進而產生干擾，這就是磁場耦合。
那麼緩解電磁耦合引起的干擾手段有哪些呢？
增加間距。通過減小互感係數，來降低干擾。
縮短耦合長度，垂直交叉走線。減小兩條走線平行部分的長度，相當於減少了互感。
電磁屏蔽。通過金屬板渦流阻斷磁場，可以不接地，如果金屬板用於迴流，則接地。
降低干擾源電流。
在干擾源源端濾波。
3. 電磁耦合與天線
靜電耦合和磁場耦合對距離很敏感，屬於近距離干擾，增加距離可以大幅降低干擾，但是無線電波的干擾，屬於遠距離干擾，對距離並不是很敏感，又叫做輻射耦合。
天線可以產生無線電波，天線可以分爲偶極子天線和環形天線兩種，如下圖所示，這些天線既可以發射信號，又可以接收信號（拾取噪聲），因此，作爲發射天線時，我們要儘量避免天線產生干擾；對於受害器件而言儘量避免內部設計產生無用的天線，導致拾取到無線電波干擾。
偶極子天線對電壓敏感，環形天線對電流敏感。
4. 偶極子天線
對於偶極子而言，長度爲1/2波長時更容易發生無線電波，比如對於750MHz信號而言，被髮射到空中後的速度爲光速3*10^8 m/s，波長就是400mm，波長的一半就是200mm，所以如果天線長度小於200mm就有助於減小干擾；
λ=C/f，λ:波長；C:速度；f:頻率
在天線前面加入LC濾波器，既可以抑制高頻諧波降低EMI，又可以做阻抗匹配實現最佳發射功率。
我們在走線時也要避免出現單獨線頭，這種線頭可能成爲發射或接收天線。
5. 環形天線
很多基於法拉第電磁感應定律的磁場檢測設備，就是使用探查線圈來拾取磁場。環形天線既可以發射電波又可以接收電波，降低發射環形天線的面積，是降低干擾的有效方法之一。我們PCB layout時也要縮短走線長度，避免形成發射或接收的環形天線。
5. 近場與遠場
近場與遠場是一對非常重要的概念，對於指導我們優化EMC有重要作用。
近場與遠場的分界線是d=λ/2π，λ是波長，當天線距離小於d時是近場，大於d時是遠場。
圖來自村田官網
偶極子近場範圍內電場更強，電場隨距離衰減更快。
環形天線近場範圍內磁場更強，磁場隨距離衰減更快。
但不管是偶極子天線還是環形天線，在遠場範圍內，電、磁場隨距離衰減速度一致，此時的波阻抗爲377Ω，這是重要的參數，後面會用到。
6. 空間傳導噪聲抑制
對於靜電耦合和電磁耦合的噪聲抑制方法，前文已經介紹了，這裡不做贅述，這部分介紹屏蔽材料對電波干擾的抑制，也叫做電磁屏蔽。
屏蔽效果可以用SE = R + A近似表示，R表示反射損耗，A表示衰減損耗。
反射損耗R是利用阻抗不匹配，將噪聲反射，來抑制干擾，和阻抗非常相關，記不記得前文的377Ω？一會就會用到。
而衰減損耗是利用高頻趨膚效應來衰減電磁波，和屏蔽材料、頻率有關。
前文提到過遠場波阻抗是377Ω，而銅板等屏蔽材料是高電導率材料，其阻抗非常非常小，10MHZ時，銅的固有阻抗大約只有1mΩ，相差了30萬倍，鐵的阻抗也非常小，遠場波阻抗與屏蔽材料阻抗差距巨大，產生反射，因此單看反射係數，就可以達到100dB的衰減效果。
如果使用導電率更高的材料，反射損耗就更多，屏蔽效果就越好。
從下圖也可以看出，使用更厚的材料，衰減損耗就更多，屏蔽效果也越好。
圖來自村田官網
趨膚深度是評價趨膚效應強度的參數，相同尺寸的不同材料，趨膚深度更小的材料對干擾衰減更強，抑制干擾的效果越好。
下圖是本節重點！
鐵的電導率比銅低，但磁導率比銅高。
從下圖可以解讀出，相同頻率時，鐵比銅趨膚深度更小，即由於鐵的磁導率高，衰減損耗更大，衰減損耗引起的抗干擾效果更好。
從上圖還可以解讀出，頻率越高，趨膚深度就越小，因此高頻時即使用非常薄的金屬材料就可以實現良好的屏蔽效果。
但是！
如果頻率很低，那麼趨膚深度就很大，抑制低頻干擾需要非常厚的屏蔽材料，此時使用高磁導率的鐵等材料屏蔽效果更好。
高頻干擾屏蔽電場，選用較薄材料；
低頻干擾屏蔽磁場，使用膠厚材料就是這麼來的。
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