Giải pháp mô phỏng vỏ chắn điện từ

Các thiết bị điện tử như bo mạch nguồn, các bộ inverter đều được đóng gói trong vỏ bằng kim loại để ngăn chặn nhiễu điện từ từ bo mạch điện tử bức xạ ra môi trường bên ngoài đồng thời ngăn nhiễu điện từ từ các thiết bị bên ngoài đến bo mạch bên trong.

H1
Hình 1. Tác dụng của vỏ chắn điện từ đối với các thiết bị điện tử.

Hiệu quả chắn bức xạ điện từ của vỏ được thể hiện qua hệ số SE (Shielding Effect) là hàm của độ dày và vật liệu của tấm chắn. Lý tưởng hóa, vỏ chắn điện từ có cấu trúc kim loại kín. Tuy nhiên, vấn đề nảy sinh là công suất tổn hao sinh nhiệt từ bo mạch điện tử không được đối lưu tự nhiên nên toàn bộ các linh kiện phát nóng và ảnh hưởng đến tuổi thọ của bo mạch.

H1-2

SE(dB) = R(dB) + A(dB) + M(dB)

Trong đó:
      R(dB) - Reflection (phản xạ)
      A(dB) - Absorption (hấp thụ)
      M(dB) - Multiple reflection (các phản xạ khác)

Trong bài viết này chúng ta đề cập đến phương pháp đánh giá hiệu quả chắn điện từ của tấm chắn kim loại được làm bằng các vật liệu khác nhau (Ni và Cu) và với các độ dày khác nhau.

Ngoài ra hiệu quả chắn điện từ còn phụ thuộc vào hình dạng kết cấu của vỏ chắn điện từ. Bài toán này sẽ được đề cập ở bài viết sau.

Phân tích này giúp người kỹ sư thiết kế đánh giá và xác định được các vật liệu phù hợp trong việc chế tạo vỏ chắn điện từ cho các bo mạch điện tử.

Ngoài việc xác định được vật liệu, độ dày của tấm chắn điện từ kim loại, các kỹ sư thiết kế có thể nhanh chóng thử nghiệm các phương án thay đổi hình dáng tấm chắn như (sử dụng các tấm tản nhiệt (heatsink), xẻ rãnh vỏ, …).

H2-1
H2-2
H2-3
Hình 2. Hình ảnh các phương pháp chắn sóng điện từ cho vỏ thiết bị điện tử (từ trái qua phải: sử dụng tấm tản nhiệt trên linh kiện, sử dụng cấu trúc dạng lục giác, thay đổi cấu trúc vỏ).

Các thông số này giúp cho các kỹ sư định hướng thiết kế, nhằm nâng cao hiệu suất làm việc.

Trường hợp đầu tiên, 2 tấm vật liệu được làm bằng Cu và Ni có độ dày lần lượt là 1μm và 5μm được mô hình hóa trong các trường hợp [Hình 3]. Ni dẫn điện kém hơn Cu tại tần số thấp (0,4GHz) nhưng lại dẫn từ tốt hơn.

  Thông số vật liệu Cu Thông số vật liệu Ni
Hệ số từ thẩm μ = 5.8e+7 μ = 1.45e+7
Hệ số dẫn điện σ = 1 σ = 600
H3
Hình 3. Mô hình hình học 2 tấm chắn được làm bằng vật liệu Ni và Cu.

Đánh giá hiệu quả chắn điện từ qua hệ số SE hoặc qua hệ số S21 là hệ số lan truyền. Hiệu ứng bề mặt (skin depth δ) của Ni giảm nhanh khi tăng tần số, hệ số hấp thụ A(dB) tăng nhanh theo hàm số (1) dẫn tới SE (Ni) > SE (Cu), hệ số S21 (Ni) < SE (Cu) (2). Hệ số S21 của Cu thể hiện khả năng chắn sóng điện từ ở tần số cao tốt hơn so với Ni. Ngoài ra, với cùng 1 vật liệu, khi độ dày vật liệu tăng, hệ số hấp thụ A(dB) tăng (t tăng), SE tăng, hệ số S21 giảm. Các kết quả thu được tương ứng như hình 4, hình 5

A(dB) = 20 log e^(t/δ)            (1)

SE = 20 log (1/mag(S21))       (2)

H4
Hình 4. Kết quả mô phỏng S21 khi độ dày là 1μm.
H5
Hình 5. Kết quả mô phỏng S21 khi độ dày là 5μm.

Trường hợp tiếp theo xét bo mạch điện tử làm bằng vật liệu FR4_epoxy và có đường tín hiệu là nguồn gây nhiễu điện từ EMI được đóng kín trong vỏ bằng kim loại Ni và Cu (Hình 6)

Đánh giá mức độ phát xạ nhiễu điện từ qua thông số cường độ điện trường tại khoảng cách 3m so với nguồn nhiễu (3m far-field) trong một dải tần số với đơn vị dBuV. Với việc sử dụng công cụ mô phỏng số cho phép xuất trực tiếp giá trị đó

H6
Hình 6. Mô hình mạch điện tử trong vỏ kim loại.
H7
Hình 7. Nhiễu điện từ EMI 3m với các trường hợp vỏ Ni và Cu.
H8
Hình 8. Dòng điện cảm ứng với các trường hợp vỏ Ni và Cu.

Quan sát dòng điện cảm ứng sinh ra với 2 trường hợp vật liệu Cu và Ni tại tần số 1GHz, có thể thấy trường hợp tấm chắn bằng Cu có dòng cảm ứng nhỏ hơn, bức xạ điện từ ít hơn. Tấm chắn điện từ bằng vật liệu Cu hiệu quả hơn Ni

Ứng dụng của phân tích:
      Ứng dụng trong các phòng thiết kế và phòng R&D của các công ty chế tạo vỏ chắn bức xạ điện từ cho bo mạch điện tử.
      Là bước đầu trong phân tích nhiễu điện từ EMI/EMC của đối tượng bo mạch điện từ.
      Định hướng thiết kế trước khi kiểm thử EMI/EMC đảm bảo tấm chắn điện từ đạt tiêu chuẩn tương thích điện từ trước khi chế tạo thực tế.



Please specify "Source Advantech, Jsc." or "According to www.advantech.vn" if you want to disseminate this information