1、現(xiàn)象描述
如下圖所示，一個采用金屬外殼 “屏蔽” 的 AC/DC 電源產品 ( “屏蔽” 外殼上“屏蔽” 外殼上蓋板與下蓋板通過螺釘接觸良好, 螺釘之間間距為5cm)。
測試時有如下現(xiàn)象：
去除電源的金屬 “ 屏蔽”外殼后, 測試反而能通過?其測試頻譜圖如下所示：
從測試頻譜圖可以看出, 采用金屬 “屏蔽” 外殼時的輻射發(fā)射水平遠高于不用金屬外殼時的輻射發(fā)射水平（有的差值在20dB以上）?
這似乎看起來與我們常見的電磁場屏蔽理論相違背?那究竟真相是什么呢？且待下文分解。
2、原因分析
因為該案例是圍繞屏蔽與否對輻射發(fā)射的影響來展開的，那首先我們先要了解屏蔽的概念。
所謂屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間用金屬進行隔離, 以控制電場? 磁場和電磁波由一個區(qū)域對另一個區(qū)域的感應和輻射?
具體來講, 就是用屏蔽體將元器件? 電路? 組合件? 電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來, 防止干擾電磁場向外擴散，這個屬于EMI電場干擾的范疇，即降低對外界的干擾;
用屏蔽體將接收電路? 設備或系統(tǒng)包圍起來, 防止它們受到外界電磁場的影響，這個屬于EMS的范疇，即提高自身的抗干擾能力?
為什么屏蔽體可以起到屏蔽作用？其屏蔽的方式主要有以下幾種：
吸收能量（渦流損耗）：導體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時，由導體內的感生電流導致的能量損耗，在導體內部形成的一圈圈閉合的電流線，稱為渦流（又稱傅科電流），這也是電磁爐的工作原理。
反射能量：電磁波在屏蔽體上的界面反射，這個在后面會有詳細介紹。
抵消能量：電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場, 可抵消部分干擾電磁波。
實際上， 屏蔽按屏蔽機理可分為磁場屏蔽、 電磁場屏蔽和電場屏蔽。
磁場主要產生于大電流? 小電壓的電路信號, 其方向可以用右手定則來判斷。
磁場的傳播可以看成是電路之間的互感而導致的耦合, 磁場屏蔽主要是依靠具有低磁阻的高導磁材料對磁通進行分路,從而使得屏蔽體內部的磁場大為減弱?
屏蔽體設計中一般需要選用高導磁材料, 如坡莫合金、非晶態(tài)合金和其它的一些稀土合金。
進行磁場屏蔽時，注意：
可以適當增加屏蔽體的厚度。
被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上, 以盡量減小通過被屏蔽物體體內的磁通。
注意屏蔽體的結構設計, 拼接縫? 通風孔等均可能增加屏蔽體的磁阻, 從而降低屏蔽效果?
電磁場是電場與磁場交替進行傳播的電磁波,如下圖所示：
電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施?如下圖所示：
其屏蔽過程如下：
當電磁波到達屏蔽體表面時, 由于空氣與金屬的交界面上阻抗不連續(xù),對入射波產生了反射? 這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度, 只要求交界面上阻抗的不連續(xù)。
未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量, 在屏蔽體內向前傳播的過程中, 被屏蔽材料所衰減? 也就是所謂的吸收（也可稱其為渦流損耗）。
在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余能量, 傳到材料的另一表面時,遇到金屬-空氣阻抗不連續(xù)的交界面, 會形成再次反射, 并重新返回屏蔽體內。
在兩個金屬的交界面上可能有多次反射出現(xiàn)?
電場主要產生于小電流、 大電壓的電路信號，與磁場的傳播可以看成是電路之間的互感而導致的耦合， 它可以看成寄生電容形成的耦合，電場屏蔽就是改變原來的耦合關系， 使干擾源耦合不到敏感設備中去。
因為輻射發(fā)射測試的主要是電場，故本案例產品所需的屏蔽是電場屏蔽或電磁場屏蔽 。
按照以上的分析，本案例采用金屬屏蔽似乎沒有問題。因為屏蔽殼體已經將 PCB及 PCB 上的所有電路都封閉在金屬屏蔽殼之內?
但是, 設計者忽略了一點: 本案例產品在半波暗室里所測到的電磁輻射, 其等效輻射發(fā)射天線并非是產品中的某個器件或 PCB 上的某根印制線, 而是該電源的輸入/ 輸出電纜 (如大于1 m)。
因為只有電纜長度才能與所輻射頻率的波長比擬（前面超標的61.52MHz對應波長為4.87m，130MHz對應波長為2.3m）, 因此電纜才是直接產生輻射的 “天線”。
實踐和理論都表明, 只要這種電纜上在輻射發(fā)射測試的頻率范圍內流動著十幾微安的共模電流, 該電纜的輻射發(fā)射就會超過標準規(guī)定的輻射限值?
通過測試，去除 “屏蔽” 外殼后輻射發(fā)射測試反而可以通過, 說明屏蔽外殼的增加, 不但沒有減小輸入/ 輸出電纜上流動的共模電流, 而且還增加了輸入/ 輸出電纜上流動的共模電流。
為了減少輸入/輸出電纜上流動的共模電流，通常可以采用以下兩種方法：
方法一：用金屬屏蔽殼和屏蔽電纜將 PCB 和所有輸入／輸出電纜屏蔽起來，同時屏蔽電纜屏蔽層，和PCB 的屏蔽外殼良好塔接。
方法二：借助 PCB 上的屏蔽外殼，通過合適的連接降低輸入／輸出電纜上流動的共模電流，以達到降低電纜所產生的輻射發(fā)射的目的。
方法一通常是不可行的，因為對于電源產品, 其輸入/ 輸出電纜一般不采用屏蔽電纜?
因此,只能采用方法二, 這其實也是一種電場屏蔽的方式, 即將 PCB內部產生的電場屏蔽在金屬外殼之內?
3、詳細原因分析
由前文分析可得，該開關電源模塊的電源輸入/輸出電纜等效為輻射發(fā)射的發(fā)射天線，而線纜上存在的共模電流是導致電纜輻射的主要原因?
這種共模電流主要是由下面兩種方式產生的：
第一種共模電流是由開關電源的初級du/dt（i=Cdu/dt） 電路與參考接地板之間的容性耦合（C1）造成的, 如下圖 所示的 I1 ：
第二種共模電流是由開關電源的初級du/dt 電路與次級電路（C12）? 次級電路與參考接地板之間的容性耦合（Z）造成的, 即如下圖所示的 I2 ?
如果沒有額外的路徑, 這兩種共模電流流入?yún)⒖冀拥匕逯? 將流回開關電源的輸入電纜。
如下圖所示，如果電源輸入端加共模濾波電容, 這兩種共模電流將被共模濾波電容CY1 ? CY2在共模電流流入開關電源輸入電纜之前旁路或分流。
該措施可以減小流入開關電源輸入電纜的共模電流 Icable (若在電源輸入端加上共模電感, 共模電流 Icable將被進一步減小), 最終起到降低輻射發(fā)射的效果。
由此可見, 當開關電源采用金屬屏蔽外殼時, 由于開關電源的du/dt干擾源與金屬屏蔽外殼之間總是要先于參考接地板產生容性耦合。
因此, 只要開關電源中的電路與金屬外殼連接得當, 就可以防止 (如上圖所示) 共模電流 I1 ? I2 流入?yún)⒖冀拥匕? 并防止共模電流流入開關電源的輸入電纜, 從而降低輻射發(fā)射?
如下圖所示，是金屬外殼防止共模電流流入?yún)⒖冀拥匕宓脑硎疽鈭D?由于PCB的“0V”和外殼直接相連，du/dt源通過容性耦合到外殼上之后又會在連接處返回PCB。
如果金屬屏蔽外殼與開關電源的PCB之間沒有任何的連接，則如下圖所示，流入開關電源輸入電纜上的共模電流并不會減少。
如上圖所示情況, 金屬屏蔽外殼的增加, 還導致開關電源內部電路噪聲的耦合關系發(fā)生了變化?
在無金屬屏蔽外殼時, 干擾源與線纜間耦合關系原理如下圖所示：
在這種情況下, 只要 PCB Layout合理, 圖中干擾信號所在點（開關管）與開關電源輸入電源線之間的寄生電容CS1 , CS2均比較小 (一般在零點幾皮法) 。
而當存在金屬外殼時, 由于金屬板的存在, 使干擾信號所在點 (開關管) 與開關電源輸入電源線之間的寄生電容等于下圖C′S1與 C′S2的并聯(lián)?
由于干擾信號所在點 (開關管) 與開關電源輸入電源線到金屬板的距離 (幾厘米) 比到參考接地板的距離 (約1 m) 近很多, 所以 C′S1 ? C′S2遠遠大于 CS1 ? CS2 ?
這就導致干擾信號所在點 (開關管) 與開關電源輸入電源線之間的耦合大大加重, 既而流入電源輸入線的共模電流也大大增加, 故輻射也大大增加?
這就是本案例中出現(xiàn)金屬屏蔽外殼反而導致輻射發(fā)射測試失敗的原因?
當PCB 中的“0V”與金屬外殼相連后, 雖然寄生電容 C′S1 ? C′S2依然存在, 但是 C′S1 ? C′S2互連點上的電位為零, 這會導致來自于 C′S1的共模電流不會繼續(xù)往 C′S2流動, 從而減小了流向開關電源輸入電纜的共模電流, 進而降低了輻射發(fā)射水平。
4、處理措施
經過前面詳盡的分析，我們知道如果PCB中的“0V”和外殼沒有任何連接（直接連接或者通過電容連接）的話，反而會加重輻射發(fā)射水平。
為了充分發(fā)揮外殼的屏蔽作用，如圖所示，可以采取如下措施：
將電源輸入濾波電容 C 接至金屬外殼。
螺釘位置在 C 電容附近。
C 電容置于整流橋后側, 效果將更好。
DC/DC 開關電源可以將初級的 “0V ”直接與金屬外殼相連;
將電源輸出的“0V ”通過 C 電容直接接至金屬外殼?
5、思考和啟示
經過上面的分析，我們可以得到如下啟示：
金屬外殼并不是 “保險” 的, 金屬外殼與 PCB 中工作地之間的連接和連接位置的選擇很重要, 隨意增加金屬外殼反而可能惡化產品的 EMC 性能。
降低電纜輻射發(fā)射的目標就是降低流過電纜的共模電流, 而不是一味的 “接地”。
分析共模電流是分析產品 EMC 的重要手段, 產品屏蔽的目的是為了讓共模電流不流到電纜或 LISN（有關LISN的介紹可以參考前文《EMC測試案例分析——接地環(huán)路對傳導騷擾測試的影響》的介紹）。
產品進行屏蔽設計時, 一定要考慮電纜的存在，很多的輻射發(fā)射超標問題都是線纜等效為天線造成的，要分析線纜和超標頻率波長的關系。
