GB/T31841-2015
电工电子设备机械结构电磁屏蔽和静电放电防护设计指南
Mechanicalstructuresforelectrotechnicalandelectronicequipment—DesignguideforelectromagneticshieldingandESDprotection
- 中国标准分类号（CCS）K05
- 国际标准分类号（ICS）31.240
- 实施日期2016-02-01
- 文件格式PDF
- 文本页数25页
- 文件大小955.34KB
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电工电子设备机械结构电磁屏蔽和静电放电防护设计指南
国家标准 GB/T31841一2015 电工电子设备机械结构 电磁屏蔽和静电放电防护设计指南 Mechaniealstrueturesforeleectrotechmiealandeleectronicequipment amdEsD Designguideforelectrommagnmeticshielding proteetiomn 2015-07-03发布 2016-02-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T31841一2015 目 次 前言 范围 规范性引用文件 术语和定义 对机械结构的电磁兼容性要求 4.1电工电子设备电磁兼容性的一般要求 4.2机械结构的电磁兼容性要求 4.3电磁屏蔽原理 4.4 静电放电防护原理 电磁屏蔽设计指南 电磁屏蔽设计基本原则 5.1 5.2电磁屏蔽设计基本方法 5.3电磁屏蔽的密封结构设计 静电放电防护设计指南 6.1！静电放电防护设计基本原则 6.2机械结构的静电放电防护设计 6.3静电放电防护设计的基本手段和EsD防护实例 附录A资料性附录防止电化学的金属(或镀层)的组合 附录B(资料性附录电磁屏蔽的密封结构设计 附录C资料性附录静电放电防护设计的基本手段和ESD防护实例 19 参考文献 22
GB/T31841一2015 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草
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本标准主要起草人;张开国,田衡,张钮,吴蓓,张实,王蔚,尹东海、宋建峰、庞海鸥,袁丰华,游汉涛、 巫球、,江国庆、马桂昌、申随章
GB/T31841一2015 电工电子设备机械结构 电磁屏蔽和静电放电防护设计指南 范围 本标准规定了电工电子设备机械结构电磁屏蔽和静电放电防护的术语和定义、对机械结构的电磁 兼容性要求、电磁屏蔽设计指南和静电放电防护设计指南
本标准适用于电工电子设备机械结构
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GB/T4365一2003电工术语电磁兼容 GB/T8894一2014铜及铜合金波导管 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法 GB92542008 GB/T14598.92010量度继电器和保护装置第22-3部分电气骚扰试验辐射电磁场抗扰度 GB/T14598.14一2010量度继电器和保护装置第22-2部分;电气骚扰试验静电放电试验 GB/T14598.162002电气继电器第25部分;量度继电器和保护装置的电磁发射试验 14598.202007电气继电器第26部分;量度继电器和保护装置的电磁兼容要求 GB 14733.22008电信术语传输线和波导 GB GB/T17626.22006电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验 GB/T17626.3一2006电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验 GB/T18663.32007电子设备机械结构公制系列和英制系列的试验第3部分机柜、机架 和插箱的电磁屏蔽性能试验 GB/T19520.12一2009电子设备机械结构482.6mm(19in)系列机械结构尺寸第3-101部 分;插箱及其插件 术语和定义 GB/T4365一2003,GB/T14598.20一2007和GB/T14733.2一2008界定的以及下列术语和定义适 用于本文件
为了便于使用，以下重复列出了GB/T4365一2003、GB/T14598.20-2007和 GB/T14733.2一2008中的一些术语和定义 3.1 电磁环境eleetromagnetiecenvironment 存在于给定场所的所有电磁现象的总和
[GB/T4365一2003,定义161-01-01] 3.2 电磁骚扰eleetromgnetiedisturbanee 任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对生物或非生物产生不良影响的电磁现象
GB/T31841一2015 [GB/T4365一2003,定义161-01-05 3.3 电磁干扰 elect tromugmeticinterferenee;EM 电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统的性能下降
注1:术语“电磁骚扰”和“电磁干扰”分别表示“起因”和“后果”
注2过去,"“电磁骚扰"和“电磁干扰”"经常混用 [GB/T43652003,定义161-01-06] 3.4 电磁兼容性electromagneticcompatibility;EMC 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的 能力
[GB/T4365一2003,定义161-01-07] 3.5 [电磁]发射eleetromagnetie)emmision 从源向外发出电磁能的现象 [GB/T43652003,定义161-01-08] 3.6 [电磁]辐射(eleetromagnetie)radiatiom a)能量以电磁波形式由源发射到空间的现象
b能量以电磁波形式在空间传播
[GB/T4365一2003,定义161-01-10 对骚扰的)抗扰度immunity(toadlisturbanee 装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力
[GB/T43652003,定义161-01-20] 3.8 静电放电eleetrostatiediseharge;ESD 具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移 [GB/T4365一2003,定义161-01-22] 3.9 屏蔽sereenm 用来减少场向指定区域穿透的措施
[GB/T4365一2003,定义161-03-25 3.10 电磁屏蔽 electrommagneticscreen 用导电材料减少电磁场向指定区域穿透的屏蔽
[G;B/T4365一2003,定义161-01-22] 3.11 端口port 被试装置与外部电磁环境的特定接口(实例见图1)
[GB/T14598.20一2007,定义3.8]
GB/T31841一2015 外壳端口 辅助电源端口 功能地端口 输出端口 被试验置 输入端口 通信端口 图1设备的电磁环境端口实例 3.12 外壳端口 encloureport 电磁场可能辐射或冲击通过的被试装置的物理边界 [GB/T14598.202007,定义3.3 3.13 趋肤深度skindepth 对于给定频率,导电材料中的电流密度下降到1/e表面电流密度时的深度
[GB/T14733.2一2008,定义726-07-06 3.14 波导waveguide 由引导电磁波沿一定方向传输的系统性物质边界或结构组成的一种传输线
[GB/T14733.22008,定义726-01-02 3.15 截止波导waveguidecut-ofr 在低于其波导截止频率(情况下)使用的波导
[GB/T14733.22008,定义726-03-19 对机械结构的电磁兼容性要求 4.1 电工电子设备电磁兼容性的一般要求 电工电子设备的电磁兼容性要求包括 对来自外部环境电磁骚扰的承受能力- 抗扰度要求; b)不对周围的其他设备产生电磁干扰 -对外电磁发射不能超过限值的要求
4.2机械结构的电磁兼容性要求 根据GB/T14598.202007、,GB9254一2008以及其他产品的电磁兼容标准,涉及机械结构(即外 壳)端口的电磁兼容性要求参见表1和表2
GB/T31841一2015 表1发射试验一外壳端口 电磁环境现象 频率范围 限 值 相关标准 项目 1.l 传导发射 30MHz230MHz 40dB(AV/m准峰值 230MHz一1000MHz 47dB(AV/m准峰值 GB92542008 电磁场辐射 GB/T14598.l62002 辐射发射 76dB(aV/m)准峰值 1GHz一3GHz 3GHz6GH" a 准峰值 80 /m 注1:表中所列限值相对于GB9254一2008中最高的A级,测量距离均为10m
注2表中最高频率范围的限值与GB/T14598.16对应的IEc60255-26最新版本的规定相同 表2抗扰度试验一外壳端口 项目 单位 电磁环境现象 试验规格 相关标准 辐射射频电磁场 80~1000 MHz GB/T14598.92010 GB/T17626.32006 10 V/m未调制,有效值 %AM(1kH2) GB/T18663.32007 调畅 80 静电放电: GB/Tl4598.14一2010 接触放电 kv充电电压) GB/T17626.22006 空气放电 kV充电电压 在GB/T18663.3一2007中,对机械结构的电磁屏蔽要求见表3
表3电场衰减等级 最小屏蔽性能 屏蔽性能等级 频率范围 频率范丽 频率范丽 30MHz一230MHz2 230MHz1l000MHz 1000MHz一2000MHz 20dB 10dB 0dB 40dB 30dB 20dB 60dB 50dB 40dB 在电磁兼容性要求中,外壳端口或机械结构的作用 a)对外部的电磁辐射骚扰起到屏蔽作用 b对设备内部向外部空间的电磁辐射起到屎蔽作用 对外来的静电放电起到快速释放作用
c 对于诸如脉冲波骚扰电快迷瞬变骚扰,浪涌骚扰、射频场感应的传导骚扰、工频骚扰(仅对于直流 电源电路)等具有传导性的各类骚扰,机械结构不能起到阻止作用,因而对外壳端口没有提出这一类的 抗扰度要求 4.3 电磁屏蔽原理 4.3.1 一般概念 电磁屏蔽一般分为两类:一类是静电屏蔽,主要防止静电场和恒定磁场的影响;另一类是电磁屏蔽
GB/T31841一2015 主要用于防止交变电场,交变磁场以及交变电磁场的影响
通常,电磁屏蔽主要是指用屏蔽体阻止交变 电磁场在空间传播的措施
屏蔽体的屏蔽效果,即屏蔽体对电磁信号的衰减程度,通常用屏蔽效能S来表示,其定义为“对 给定外来源进行屏蔽时,在某一点上屏蔽体安装前后的电磁场强度之比”,可表示为式(1)和式(2): S;=2olg(E/EdB) 或SE=20lg(H/HdB) 式中: E 没有屏蔽时测得的电场强度; E -屏蔽后测得的电场强度; 没有屏蔽时测得的磁场强度; H
-屏蔽后测得的磁场强度 H 当交变电磁场通过金属材料表面或由金属材料所包围的孔眼时,因电磁感应形成的涡流所产生的 电磁场方向与原来的电磁场方向相反,抵消了一部分原来的电磁场,从而起到屏蔽作用
产生的涡流越 大,屏蔽效果就越好;金属材料的电导率越高,屏蔽效能越好
同时,由于涡流产生的焦耳热消耗了人射 电磁场的能量,同样可起到屏蔽作用
4.3.2金属的趋肤效应 当电磁场传播时,在金属内会因所产生感应电流的热效应以及反方向电磁场,使其能量损耗而衰 减
当电磁场在金属内传播的深度为心时,其衰减的倍数为e(2.718倍)
是描述金属对电磁波吸收 能力的一个值,即金属的“趋肤效应”
值越小的金属,吸收电磁场的能量就越大,屏蔽效果就越好
在电磁场理论中把心称为“趋肤深度”或“透人深度”
表4列出了几种金属的在某些频率下的趋肤 深度
表4金属在某些频率下的趋肤深度 电阻率 相对磁导率 频率 趋肤深度 金属 10-Qmm Ha M./4 mm 铜 0.0172 10 0.21 0.067 10 10 0.021 I0 0.0067 黄铜 0.06 0.39 10 0.124 10 10 0.039 10 0.0124 铝 0.03 0.275 10 0.088 10 10 0.0275 1o 0.0088 钢 0.1 50 10 0.023 10 10 0.007 1o 0,0023
GB/T31841一2015 表4(续 电阻率 相对磁导率 频率 趋肤深度 金属 10-》Qmm Hz A/Aa mm 钢 200 1.l 10 0.l 10 0.35 1o 0.l1 0.035 1o 铁合金 0.65 2000 0.38 10 10 0.12 10” 0.038 0.012 l0" 该数据为低频下的数据,高赖下会有所下降
由表4可以看出,当电磁场频率为1MHz时,铜板的趋肤深度为0.067mm,采用大于此厚度铜板 制成的封闭壳体就可以达到良好的屏蔽效果
4.4静电放电防护原理 静电是物体表面的静止电荷
物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中,发生电子或离子的转移,正 电荷和负电荷在局部范围内失去平衡,就形成了静电
当物体表面的静电场梯度达到一定的程度时,由 于正电荷和负电荷的中和,就会发生静电放电(ESD)
静电放电可以出现在两个物体之间,也可由物体 表面直接向空气放电
静电放电鹏合到电工电子设备主要有两种方式;直接传导和空间稠合(电感或电容耦合)
静电放电的特点是 静电放电是一个高电位、强电场、瞬时大电流的释放过程; 静电放电还会产生强烈的电磁辐射而形成电磁脉冲
静电放电的类型如下 电晕放电电晕放电是一种高电位、小电流,空气被局部电离的放电过程; a b)刷形放电刷形放电是一种发生在导体与电绝缘体之间,放电通道成分散的树枝形状的放电 过程; 火花放电火花放电是一个瞬变的过程,放电时两放电体之间的空气被击穿,形成“快如闪电” 的火花通道,使静电能量在瞬时集中释放
电磁屏蔽设计指南 电磁屏蔽设计基本原则 5.1 电磁屏蔽设计应考虑 采用金属材料作为屏蔽体可以获得对电磁场的有效屏蔽
此时宜考虑屏蔽体的刚性、工艺性 a 及表面涂覆层的选择等; b)采用工程塑料作为机械结构外壳,可以考虑再电镀上金属镀层(例如铜、镍银)以获得较好的 屏蔽效果 屏蔽体结构应尽量简洁,尽可能减少不必要的孔洞和缝隙,以防电磁泄漏;
GB/T31841一2015 搭接面应具有良好的导电性,并尽量提高零件的刚性,表面精度、增加缝隙的深度,以及控制好 紧固点的配合公差; 由于电磁场的孔隙泄漏现象,电磁屏蔽体上的开孔、缝隙等宜谨慎处理
通风孔尽量采用列阵 排列的圆孔或正六边形孔;当屏蔽与散热有冲突时,尽量开小孔、增加孔的数量,避免开大孔 有相对运动的零部件不应依靠导轨、销轴等活动连接方式进行搭接,必要时可以通过电缆实现 搭接; 透明观察窗宜采用电磁屏蔽玻璃或聚酯导电薄膜并可靠接地; 通风窗宜采用波导式通风窗,以达到满意的屏蔽效能
电磁屏蔽设计基本方法 5.2 5.2.1屏蔽体缝隙电磁泄漏的抑制 对于屏蔽体缝隙的电磁泄漏,可采用以下方法抑制 增加屏蔽体接合面的深度(例如连接处折弯),使缝隙结合处的接触面积增大,以减小接触面电 阻、增加波导截止效应; 在屏蔽体连接处形成迷宫型结构,或者采用屏蔽盒盖嵌人盒体的结构也是常用的增加缝隙深 b 度的方法; 减小屏蔽体缝隙的长度.使得缝隙长度远小于所要抑制的电磁波波长，一般宜小于1/100波 长,至少不大于1/20波长 D 尽量战小紧固螺钉之间的间距或采用连续焊,以减小缝隙长度 在屏蔽体接合面上冲制间隔的凸起,以增加接触点 f 保持接触面较好的平整度、保持接触面清洁,必要时涂覆导电涂料,以减小接触电阻; 在屏蔽体缝隙的结合面添加导电衬垫,以增加屏蔽效果
g 5.2.2屏蔽体孔洞泄漏的抑制 对于机械结构屏蔽体孔洞的电磁泄漏,可采用以下方法抑制 金属丝网将金属丝网覆盖在大面积的通风孔上,能显著地防止电磁泄漏
金属丝网的屏蔽性 a 能与网丝直径、网孔疏密程度、网丝交点处的焊接质量及网丝材料的导电率有关 穿孔金属板;鉴于孔洞尺寸与电磁泄露成正比,可在满足屏蔽体通风量要求的前提下,以多个 小孔代替一个大孔; 截止波导通风孔;利用波导对于在其内部传播的电磁波起着高通滤波器的作用,可阻止高于截 止频率的电磁波通过
截止波导通风孔阵显著的特性有: 工作频段宽,即使在微波波段也有较高的屏效; -对空气的阻力小,风压损失小; 机械强度高,工作稳定可靠
5.2.3屏蔽体上观察窗口泄漏的抑制 观察窗口包括指示灯,表计面板、数字显示器及CRT(阴极射线管)等,泄漏拟制可供选择的方案 包括 使用波导衰碱器; a b)使用金属丝网或带有金属丝网的玻璃(或聚酯导电薄膜)夹层板 c 对重要的器件进行屏蔽,对进人器件的所有导线滤波 D 使用屏蔽玻璃或屏蔽聚酯导电薄膜
GB/T31841一2015 其中b)e)d)适用于对仪表.CRT等大孔洞元件进行电磁泄漏控制
甚高频和微波段宜选用金属 丝网,并应注意金属丝网和屏蔽网对设备操作、观察可能造成的不良影响,以及导电玻璃、导电薄膜使光 射的射投所造成的损失
5.2.4操作器件开孔泄漏的抑制 需要调控的元器件(例如可变电容器、可变电感器、电位器等),常将其调整轴伸出面板之外 抑制此类调整孔电磁泄漏的措施有 采用圆形截止波导结构,此时调整轴应用绝缘材料制成; a b)对于无法换成非金属的金属操作杆穿过的小孔或波导管,可用指形弹簧将金属杆的四周与屏 蔽体搭接 设置隔离舱,将设备中的主电路与操作器件(设备外部)隔离
5.2.5贯通导体的处理 降低或减小穿过屏蔽体的导体对屏蔽效能的破坏方法有: 将导体屏蔽,这相当于将屏蔽体延伸到导体的端部; a b)对导体的传输信号进行滤波处理 电磁屏蔽的密封结构设计 电磁屏蔽的密封结构设计参见附录B. 静电放电防护设计指南 静电放电防护设计基本原则 静电放电防护设计的基本原则: a 静电源控制,绝缘材料的静电通过接地和等电位连接无法消除,因此应对敏感器件周边进行静 电源控制; b)等电位连接,与敏感器件接触的导体实现等电位连接(接地),避免敏感器件因静电放电损坏 防静电包装,ESD防护区的器件应使用防静电包装,以防外界静电源的影响 d 优先考虑安全,ESD防护措施不能降低安全水准,如果与安全之间发生冲突,则优先考虑 安全
6.2机械结构的静电放电防护设计 6.2.1一般方法 包括但不限于: 金属外壳的各部件之间应实现良好的接地连续性以及低的接触电阻,各搭接处宜采用面接触 a 避免点接触; b相互搭接的金属之间的电化学电位差不大于0.5V,超过时可以选择过渡金属(或镀层),以降 低原来两种金属接触的电化学腐蚀(参见附录A); 可触及的键盘、控制面板、手动控制器、钥匙锁等金属部件,应直接通过金属外壳接地
如果不 能接地,与内部电路走线的绝缘距离宜满足以下要求 -空气间隙不小于4mm; -爬电距离不小于6 mm
GB/T31841一2015 d)各接地点在外壳(机柜)接地点汇接或在外部接地网上汇接,以形成良好的静电泄放通路 小型低速(频率小于10MH2)设备可以采用工作地浮地(浮空地),或工作地单点接金属外壳、 金属外壳单点接地,使静电通过机壳泄放到大地时对内部电路无影响 小型高速(频率大于10MHz)设备的功能地应就近与其金属机壳实现多点接地,且金属外壳 单点接大地; 机柜的接地点与外部接地点之间保持可靠的电气连接,联接铜导线的截面不应小于表5的 规定; 表5接地导体的面积 单位为平方毫米 被保护电路的导体截面积s 保护导体的最小截面积 16 >1635 16 >35一400 S/2 >400800 200 >800 S/4 金属外壳与电子器件的间距最少保持2mm h 增加外壳到电路板之间的距离,如8kV的ESD在经过4mm的距离后能量一般可衰减为零; 可用导电油漆,如EM油漆,涂在壳体内侧,形成一个金属的覆盖层,并通过这个屏蔽层将静 j 电泄放 k)设置静电放电插孔以便把静电泄放
6.2.2缝隙的处理措施 外壳上缝隙和孔洞的电磁屏蔽处理方法对静电放电防护同样有效,见5.,2.1和5.2.2
6.3静电放电防护设计的基本手段和ESD防护实例 静电放电防护设计的基本手段和ESD防护实例参见附录C
GB/T31841一2015 附 录A 资料性附录 防止电化学的金属(或镀层)的组合 在导电连续性设计中,宜参照表A.1选择保护联结的金属组合,以避免在接合面产生电化学腐蚀
表A.1防止电化学腐蚀的金属(或镀层)的组合(电化学电位 单位为伏 钢镀 奥氏 铜镀 铝 低 低铬铜及 及 及 钢 钢镀镍锁 体高 银钱 金 铝 铅 碳 碳 硬 不锈其合 锁 银 锡 铬,软|铬,钢 铬不 金合 铂 银 合 合 钢 假 钢 金 钟 焊料镀锡 锈钢 金 金 金 o.05o.550.70.8o.85 1.05 1.151.251.35 1.45 1.651." 1.75缸及其合金 1.1 1.4 1.6 锌及其 o.05o.2o.3l0.350.40.50.550.60.650,750.850.90.95 1.1 1.151.21.25 钢镀锡锌 0.55 1.2 0,30,350,450,5 0,6 0.7 0.80.850.91.051.11.15 0.35 0.450.55o.650.70.75 0.95 1.05 铝 0.l5 0.4 0.9 1.0 0.,05o. 0.,2l0,25 0,350,450.550,60.65 0.885 0.95 钢镀铬 0.3 0.8 0.9 0.050.150.20.250.3 0,40,50,550,60,750.80,.850.9铝孟合金 0.05 0.150.250.350.450.50.550.70.750.8 0.85 低碳钢 0.050.l0.l50.250.350.40.450.60.650.7 0.75 硬铝 0.20.30.350.4 0.550.60.660.7 铅 0,050. 钢镀铬 0.050.150.25 0.350.50.55 0.65 0.3 0.6 软炽料 钢镀镍镀 0 0.2 0.,250.30.450.50,550.6 0.1 铬,钢镀锡 低铬 0.l0.l50.2 0.350.40.45 0,5 不锈钢 铜及 0.050.1 0.250.30.350.4 其合金 奥民体 0.25 0.35 0.05 0.2 0.3 铬不锈钢 0.150.20.250.3 钢镀镍 0.050.l 银 0.15 铜镀银佬 0,05 0.1 金合金 碳 0.05 金,铂 注:黑框中的组合应免采用
10o
GB/T31841一2015 附 录 B 资料性附录 电磁屏蔽的密封结构设计 B.1导电衬垫 B.1.1导电衬垫种类 EM衬垫是导电材料,填充在机械结构缝隙中以提供一个连续的、低阻抗的连接
导电衬垫的主 要结构型式见图B.1
图B.1导电衬垫的几种结构型式 常用导电衬垫的比较见表B.
表B.1常用的导电衬垫 序号 名称 适用场合 材料及结构 特点 金属丝网 从结构上分,有全金属丝、空心低频时的屏敲效能较高; 最常用的电磁密封 衬垫 和橡胶芯等三种
常用的金属过量压缩时不易损坏;当压力为 般用在 材料， 丝材料为蒙乃尔合金、镀铜、镀1.4kg/enm时,电磁波衰减达54dB 1GHz以下的场合 锡钢丝等 高频时屏蔽效能较低 导电橡胶 通常用在有环境密从结构上分,有条材和板材两高频时屏蔽效能较高;同时提供电磁 封要求的场合 种,条形材又分为空心和实心 两 密封和环境密封适用于密封连接和 材 种
板材则有不同的厚度
少量螺钉的连接,经48h老化处理 料为;硅橡胶中掺人铜粉,铝粉 后,体电阻率可达10mn/em 银粉、镀饷银粉、镀倡粉,镀银20mQ/em,变形度限制在25%,频率 较高时电磁场衰减最大 玻璃粉等 低频时的屏蔽效能较低;质地较硬 有时不能刺透金属表面的氧化层,导 致屏蔽效能很低 指形簧片 通常用在滑动接触形状繁多适用于各种屏蔽结构;高频,低频时的屏蔽效能都好;形变 面的场合 材料为镀铜,表面覆盖不同的电量大,允许滑动接触;电磁波衰减达 100dB 镀层 11
GB/T31841一2015 表B.1(续 适用场合 序号 名称 材料及结构 特点 螺旋管 用在压缩量较小的由镀饷或不锈钢带材卷成的在所有电磁密封衬垫中屏蔽效能最 衬垫 旋管 好的; 场合 受到过量压缩时,容易损坏 导电布 用在不经常拆卸的带有背胶的导电布包裹上发泡安装非常方便;高低频的屏蔽效能均 场合 较好;柔软,过量压缩时不易损坏,具 橡胶芯构成，一般为矩形 有一定的环境密封作用 频繁摩擦会损坏导电表层 表B.2列出了几种常用的导电衬垫的压缩比及其压力
表B.2常用导电衬垫的压缩比及其压力 压缩比 压力 类 型 序号 kg/m 导电-开孔腺烧泡沫芯(UFC 30 6.28 镀铜指形片BCF 30 32.5 蒙乃尔金属丝网硅橡胶管状芯SET) 30 54.6 蒙乃尔金属丝网氯丁发泡芯)(NSP 30 64.35 D形橡胶条(内部填充镍/石墨材料)(DET 30 9.75 B.1.2指形簧片 指形簧片是电磁泄漏有效的抑制方法之一,常用于机柜门,机箱结构的电磁密封
指形弹簧的特点 如下 高屏蔽效能" a b 良好的机械性能; 良好的设计适应性 c d) 优异的高温性能; 极好的重复使用性能; 多种结构形式及尺寸可供选择
指形簧片的性能参数见表B.3
表B.3指形簧片的性能 项目 特性 80dB100dB 传输阻抗(500MHa2》 屏蔽效能 H场200kHz 60dB70dB 平面波(2GHz 75dB120dB 多种尺寸和外形可选,可配合使用间隙0,25mm10.2mm 尺寸范围 可压缩范围 20%一80% 12
GB/T31841一2015 表B.3(续》 项目 特性 残余变形 工作压力范围内无残余变形 0.003in0.350in(1in=25.4mm 可填充间歇 材料 多半由镀青铜制成,也可采用磷青铜和不锈钢 适用温度 长期工作温度可达120°C250°F 外形 可选择制造厂的标准外形,也可另行设计其他形式的外形 安装方法 卡接粘接,铆接,焊接以及开槽固定 需考虑电镀层与基材的电化学兼容性(参见附录A 电化学兼容性 可重复使用 适用于滑动摩擦较大的场合; 典型应用 种类繁多、安装方式多样,适用于从小型到大型屏蔽体的各种场合 常见的指形簧片的结构型式见图B.2
T t R95-008 HR95-040 HR95-047 a RG02/04 R9o0/2/4/6/r8 HR95-136 d 图B.2指形簧片的结构型式 常见的指形簧片的安装方式见图B.3
导轨安装方式 卡式安装方式 悄式安裁方式 特殊安装方式 全方位安装方式 粘贴安装方式 图B,3指形簧片的安装方式 13
GB/T31841一2015 B.1.3导电衬垫安装方式的设计 导电衬垫安装方式的设计方法如下 a)尽量采用槽安装形式固定衬垫并保持合理的压缩量,以达到较高的屏蔽效能 b)安装槽的形状包括直槽和燕尾槽,槽的高度一般为衬垫高度的75%左右; 如果采用法兰安装方式,需要设置限位机构,这样在安装时不会因发生过量压缩而导致衬垫的 永久性损坏 防止电化学腐蚀:在接触外部环境的一侧用非导电物质密封,以防止电解液进人到导电衬垫与 屏蔽体接触的结合面上; 滑动接触方式不宜用于导电衬垫,只限于指形簧片的安装; 螺钉的位置和间距;螺钉一般安装在衬垫的外侧,间距适当
f B.1.4选用导电衬垫的注意事项 在使用导电衬垫时,为确保预想的电磁屏散效能宜注意以下事项 在所有种类的电磁密封衬垫中,只有指形簧片和极少部分导电布衬垫允许滑动接触,其他种类 a 的衬垫不允许滑动接触,否则会造成衬垫的损坏以及屏蔽效能的下降 所有种类的衬垫材料受到过量压缩时都会发生不可恢复的损坏,因此在设计时需设置确保一 定压缩量的结构; 只有导电橡胶的屏蔽效能随着压缩量的增加而增加,而其他导电衬垫与屏蔽体基体的电气接 触良好时,衬垫的屏蔽效能与压缩量没有正比关系
增加压缩量并不一定能提高屏蔽效能 反而可能损坏屏蔽结构; 与导电衬垫接触的金属板要有足够的刚度,以避免在弹力作用下发生变形产生新的不连续 点,而导致射频泄漏
对于正面压缩的结构,适当的紧固螺钉间距可以防止面板变形 在尺寸允许的情况下,尽量使用较厚的衬垫,这样可以使衬垫足以填充最大的缝隙、允许金属 结构件具有较大的加工误差
另外,较厚的衬垫一般较柔软一些,对金属板的刚性要求较小 衬垫宜安装在不易损坏的位置,例如对于大型的屏蔽门,衬垫宜安装在门框内; f g)安装衬垫的金属表面应保持清洁、导电,以保证可靠的导电性 h 尽量采用槽安装方式,以固定衬垫并限制过量压缩
使用槽安装方式时,屏蔽体的两部分之 间接触不仅通过衬垫实现完全接触,而且还有金属之间的直接接触而具有最高的屏蔽效能 安装指形弹簧时,应注意簧片的方向以保证施加的压 缩力能够使簧片自由伸展; iD 根据屏蔽体的基体材料选择适当的衬垫材料,以使接触面达到电化学兼容状态; k 如果空间允许,在安装衬垫的缝隙处可同时使用环境密封衬垫,并且使环境密封衬垫面对外 部环境,以防止电解液进人屏蔽体的结合面上; 一般情况下,紧固螺钉安装在衬垫内侧或外侧并不十分重要,但是在屏蔽要求很高的场合,螺 钉宜安装在衬垫的外侧,以防止螺钉穿透屏蔽体造成意外的电磁泄漏
B.2屏蔽玻璃及屏蔽聚酯导电薄膜 B.2.1屏蔽玻璃 屏蔽玻璃用于透明观察窗及门
屏蔽玻璃的种类及其特性见表B.4
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GB/T31841一2015 表B.4屏蔽玻璃的种类及特性 屏蔽效果 耐温 序号 屏蔽玻璃类别 目数或网线 透光率 30MHz1GHz) C dB 铜网屏蔽玻璃 网线密度;250Am 75% 50 40十90 45"倾斜 镀膜屏蔽玻璃 75%一85% 30一35 40十90 100 70% 目 52 不锈钢网屏蔽玻瑞 目 50% 165 60 40十90 250目 5% 70 130 >50 目 65 钢网屏蔽玻璃 40十90 目 200 >54 40 55一70 >50 130目 镍网屏蔽玻璃 40~十90 目 200 >54 电加热屏蔽玻璃 在镀膜屏蔽玻璃中加人24V电阻丝,具有除霜功能,其他指标同序号2
B.2.2屏蔽聚酯导电薄膜 屏蔽聚酯导电薄膜用于透明观察窗
常见的透光导电聚酯薄膜的典型性能如表B.5所示
表B.5常见的透光导电聚酯薄膜典型性能 屏蔽效能 表面电阻率 透光率 耐温范围 薄膜厚度 lB Q/m mm MHz10MHz100MHz1GHz10GHz 24 7080 100 54 19 60150 0.1330.200 B.3导电涂料 导电涂料是由银、铜、镍或其他复合粒子制成的用于电磁屏蔽的油漆,其特点是;施工便捷,附着力 好,漆膜平整、无疏松粒子、内聚力强、性能稳定,导电性能优良
可用作金属、复合材料为基材的机械结 构壳体内壁的喷涂材料
目前主要的导电涂料有 a 银系导电涂料;表面电阻率低于0.010n/em,可在高达10GHz的范围内达75dB以上
但银 作为导电填料的价格昂贵,只在屏蔽要求极其严格的环境下使用 b)镍系导电涂料镍系导电涂料在低频区低于30MHlz)的屏蔽效果不如铜导电涂料
但镍导 电漆导磁率高,磁矢量的衰减幅度大,吸收电磁干扰能力强
镍还具有优良的抗氧化性、抗化 学腐蚀性,可满足恶劣的环境条件下的应用要求; 碳系导电涂料;碳类导电填料主要是炭黑和石墨,以粉状、纤维状单独或混合添加到涂料中,以 满足不同的使用要求
由于碳类导电填料属于半导体,所形成的涂料的导电率远小于金属类 填料形成的导电涂料,其表面电阻率为30Q/cm一50Q/cm,在50MHz一450MHz范围内屏 蔽效果最高可达30dB50dB,仅用于屏蔽要求较低的电磁环境下使用以节省成本 15
GB/T31841一2015 d)复合导电填料:为了降低导电填料的成本,并保证一定的导电性能,常采用复合导电填料
复 合导电填料按形状可分为复合粉末和复合纤维两种
金属包敷型复合粉末可分为金属-金属 例如Ag/Cu)、金属-非金属例如Cu/石墨)和金属-陶瓷(例如Ag/SiO.)等三种类型
此外， 还有金属氧化物包敷型复合粉末
复合纤维包括尼龙、玻璃丝,碳纤维等镀敷金属或金属氧化 物等
此类导电填料一股作为上述几种导电涂料的漆加成分使用.,以对导电涂料的屏散性能 进行微调而适用于不同的电磁环境需要
B.4屏蔽通风板 波导型结构的屏蔽蜂窝通风板由装配在挤压成型的铝框中的铝蜂窝构成,标准蜂窝孔径为 3.2mm,厚度有6.3mm、12.7mm(常用,25.4mm三种规格,镀锡或镀镍可以提高屏蔽效能及对环境 的防护效果
双层铝制蜂窝通风板是两层平行铝蜂窝装配,每一层蜂窝互成90"取向,每层的蜂窝孔径和厚度分 别为2mm和6.35mm,总厚度为12.7mm,表面进行铬酸盐氧化处理可用于环境防护,故双层铝制蜂 窝板不需要镀锡或镍来提高防护效果
表B.6一表B.9给出的几种屏蔽通风板的屏蔽参数仅供参考,实际的屏蔽效果可能偏低 表B.6铝制蜂窝屏蔽通风板屏蔽参数 单位为分贝 磁场 电场 平面波 磁场 电场 平面波 单层铝 双层铝 通风板 通风板 100kHz10MHz GHz 10GHz 100kHz10MHz 1GHz 10GHz 铬酸盐 11o 铬酸盐 40 80 60 40 65 95 85 氧化层 75 125 105 85 镀层 锡 70 125 105 85 镍 80 135 115 95 表B.7钢制和铜制通风板屏蔽参数 单位为分贝 平面波 磁场 电场 钢制、铜制蜂窝式通风板 100kHz2 10MHz 1GHz 10GHz 表面镀锡层 85 135 15 110 注:孔径3.2mm,深度12.7mm
表B.8防尘屏蔽通风板屏蔽参数 单位为分贝 磁场 电场 平面波 防尘屏蔽通风板 100kHz l0MHz 1GHz 10GHz 60 表面铬酸盐氧化层 70 120 80 注防尘屏蔽通风板是由三层铝制金属丝网屏蔽层夹人拉制的金属框架中 16
GB/T31841一2015 表B.9超薄型防尘屏蔽通风板屏蔽参数 单位为分贝 磁场 电场 平面波 超型防尘屏蔽通风板 100kHz 10MHz 1GHz 10GHz 60 55 表面铬酸盐氧化层 125 75 注1:超薄型防尘屏蔽通风板是一种在铝制框架内夹有可过滤空气中微小颗粒的介质组成
注2:厚度约5mm,最大尺寸为305×610)mm" B.5截止波导管 B.5.1截止波导管的原理及选用流程 波导管是简单的管状金属结构并呈现高通滤波器的特性
波导管允许截止频率以上的信号通过 而截止频率以下的信号则被阻止或衰减,这与高通滤波器的频率特性相似(见图B.4)
利用这个特性 可以使干扰信号的频率落在波导的截止区内,而起到了电磁屏蔽的作用
这种波导称为截止波导
波导管选用的流程见图B.5
截止区 截止频率 频率at 图B.4截止波导的原理 孔的泄瓣不能满足屏蔽的婴求 确定截止波导管的截面形状 确定婴屏敲的最高频率 确定波导管的根止频水 计算截止波导管的极面尺寸 稍定泼导管的长度 图B.5截止波导的设计流程 B.5.2波导管选用的计算公式 波导管选用的计算式如下 17
GB/T31841一2015 圆形截面的波导 B.1 F=6900/D(MHz) S=32T/D(dB B.2 式中: -圆形波导直径,单位为英寸(in),(1in=25.4mm); D F -截止频率,单位为兆赫(MHz); T -波导长度,单位为英寸(in); SE -屏蔽效能,单位为分贝dB)
b)矩形截面的波导 F=5900/L (B,3 S=21T/L(dB) B.4 式中: -矩形截面的对角线长度,单位为英寸(in); 截止频率,单位为兆赫(MH2) F -波导长度,单位为英寸(in) 屏蔽效能,单位为分贝(dB)
S B.5.3计算步骤 波导管选用的计算步骤如下 使用截止波导管的关键是确保波导管工作在截止区,因此应根据干扰的最高频率确定截止波 a 导管的截止频率
为保证有效的屏蔽,截止频率应是最高干扰频率的5倍以上; 在确定截止频率F以后,用式(B.1)(圆形波导)或式(B.3)(矩形波导)计算截止波导管的截面 尺寸; 在确定波导管截面的最大尺寸后,可根据所要求的屏蔽效能,用式(B.2)(圆形波导)或式(B.4 矩形波导)计算所需波导管的长度
铜及铜合金波导管的详细情况见GB/T8894一2014
B.6插箱电磁屏蔽设计实例 GB/T19520.122009的第10章规定了具有电磁屏蔽功能的插箱及其插件的设计总则、接口尺寸 等,是具有电磁屏蔽功能插箱的一个实例
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GB/T31841一2015 附 录 c 资料性附录 静电放电防护设计的基本手段和ESD防护实例 C.1静电放电防护设计的基本手段 C.1.1等电位 基本原理;在等电位状态下不发生放电
具体做法 -所有可能接触器件的物体使用并联连接(共地); 接地系统间进行跨接并避免电势差
c.1.2接地 基本原理;将静电通过接地线或接地装置传导、泄放到大地
具体做法 -建立静电接地系统 使用静电导电材料; 两种方式;硬接地(将物体直接或通过一个低阻抗同大地相连接)和软接地(将物体通过一个足 够高的阻抗接往大地.以便在发生电击事故时把电流眼制在人身安全电流之下) C.1.3 阻值控制 基本原理;通过电阻控制过强的表面电流泄放或放电,以确保人身和设备安全
具体做法: 使用静电耗散材料; -静电敏感设备与安全限流电阻器连接
C.1.4静电放电屏蔽 基本原理;屏蔽静电场,阻隔静电放电电流通过敏感器件
具体做法 使用静电屏蔽材料和屏蔽容器; 选用绝缘材料和阻隔结构屏蔽静电
c.1.5材料选择和工艺控制避免产生静电 基本原理;通过使用不产生或少产生静电的材料减少静电;材料表面光洁,可减少静电;静电序列的 应用
具体做法" 使用抗静电材料 使用抗静电剂; -对接触起电的物体,应尽量选用在带电序列中位置相邻近的,宜减少静电荷的产生 以下是某些材料的静电序列的排列:(玻璃、有机玻璃、尼龙、羊毛、丝绸、赛璐珞、棉织品、纸、金 19
GB/T31841一2015 属黑橡胶、涤纶、维尼纶、聚苯乙烯、聚丙烯,聚乙烯、聚氯乙烯,聚四氟乙烯( 一 C.1.6标识和标注 防静电的标识和标注一般采用如下方法 -对敏感器件进行标识以避免当作非敏感器件操作,存放和运输; 对ESD防护用品和材料进行标识以表明其功能,防止超出有效期使用 -对EPA(EsD保护工作区、工作站)进行标识,对EPA中的设备进行标识,对EPA中可能存在 的风险进行警示 -对接地点进行标识 在设计文件和图样中对涉及到的敏感器件和电路进行标注和说明
静电放电防护标志见图c.1和图C,2 图C.1静电敏感器件和电路的防静电标志 图c.2防静电工作区(EPA)及包装的标志 C.1.7采用保护电路和结构外壳)设计 防静电的保护电路和结构设计采用如下方法: 采用静电放电保护电路或保护器件以提高抗静电能力; 采用合理的结构设计有效泄放静电(见6.2). c.2ESD防护设计实例 C.2.1插箱及其插件ESD防护设计实例 GB:/T19520.122009的第11章规定了具有EsD防护功能的插箱及其插件的设计总则,接口尺 寸等,是ESD防护插箱的一个实例
C.2.2EsD接口设计实例 在机械结构的插箱或机柜中,为了在操作之前把静电释放,或连接ESD防护腕带,一般设置ESD 2o0
GB/T31841一2015 接口
图C.3给出了一种典型的ESD接口设计实例
静电泄放带 接地线 腕带连接插座 图c.3ESD接口设计实例 21
GB/T31841一2015 参 考 文 献 [1门 GB7251.1一2013低压成套开关设备和控制设备第1部分;总则 [2]GB/T19287一2003电信设备的抗扰度通用要求 [a GB/T26667 201l电磁屏蔽材料术语 的 GJB12101991接地、搭接和屏蔽设计的实施 白 GJB/Z25一1991电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南 C6 GJB2713一1996军用屏蔽玻璃通用规范 [ S20597A一2005 金属丝网屏蔽衬垫通用规范 [" 1998军用电磁屏蔽橡胶衬垫材料通用规范 S20673 D S20755A2005军用电磁屏蔽通风窗通用规范 O S208142002军用电磁屏蔽箔片通用规范 [11]IEc61000-5-2:1997电磁兼容(EMc) 第5-2部分;安装和调整指南 接地和布线 EIECTR(OMAGNE'TICCOMPATIBILITYEMC)Part5:lnstallationandnmitigationguidelines Section2:Earthingandcabling 第5-7部分;安装和调整指南由外壳提供电磁 12] IEC61000-5-7:2001电磁兼容(EMC 骚扰防护的等级(EM编码[ELEcTROMAGNETIccOMPATB1LITYEMC)-Part5-7:lnstalla tionandmitigationguidelines一Degreesofprotectionprovidedbyenclosuresagainstelectromagnetie disturbancesEMcode EC61340-5-1;1998静电第5-1部分;电子设备对静电放电的防护通用要求(Electro 13 staticPart5-l:ProtectionofelectronicdevicesfromelectrostaticphenomenaGeneralrequire- ments 22
电工电子设备机械结构电磁屏蔽和静电放电防护设计指南GB/T31841-2015
在现代电气设备中，电磁干扰和静电放电已成为一大问题。如何在机械结构设计中实现对电磁干扰和静电放电的有效防护和屏蔽已成为电气工程师需要解决的难题。GB/T31841-2015是一份关于电工电子设备机械结构电磁屏蔽和静电放电防护设计指南，本文将从几个方面简单介绍GB/T31841-2015的相关内容。
1. 概述
GB/T31841-2015旨在为电工电子设备机械结构的电磁屏蔽和静电放电防护提供设计指南。该标准主要包括防护设计的原则和方法、电磁屏蔽和静电放电测试等方面内容。
2. 防护设计的原则和方法
GB/T31841-2015为设计人员提供了一些防护设计的原则和方法，例如采用符合标准的材料、构造屏蔽或接地结构、规避冲突信号及时进行消除等等。此外，还提供了一些具体的设计方法，例如对于机械结构中需要考虑的电磁屏蔽问题，建议在设计时将敏感元件尽可能远离干扰源，采用金属屏蔽隔离干扰源，以及在信号线和电源线上设置滤波器等。
3. 电磁屏蔽和静电放电测试
GB/T31841-2015针对电磁屏蔽和静电放电两个方面都进行了相应的测试规定。其中，对于电磁屏蔽测试，主要采用漏电流和磁场强度测试方法；对于静电放电测试，则采用模拟人和计算机程序模拟等方法。
总之，GB/T31841-2015提供了详细的电工电子设备机械结构电磁屏蔽和静电放电防护设计指南，为电气工程师的工作提供了一定的参考和指导。设计人员在进行电工电子设备的机械结构设计时，应根据该标准中提供的原则和方法进行合理的设计，以避免电磁干扰和静电放电对设备运行造成的影响。
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