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如何保护5G系统免受EMI的侵害

2021年11月25日

5G基站具有更多的调制解调器，数据转换器和高速基带数字处理，从而带来了更高的功率需求。它们可能需要比现有4G设计的功率高3倍，而EMI显着增加。

史蒂夫·塔拉诺维奇（Steve Taranovich）

您将学到什么：

在各种用例中，开放式漏洞。
Methods involved in conformal EMI shielding.
比较保形涂层和隔室技术的研究结果。

5G系统硬件设计人员面临实施更好的电力解决方案的挑战，这些解决方案可以帮助所有必要的电子设备适应与现有4G基础站外壳的形态，同时保持低EMI。

与传统的离散DC-DC IC相比，5G系统中的板部成分密度增加，其效率更高，EMI较高的空间解决方案，其基于外部电感器的解决方案。这将挑战设计师为过滤器创建仔细的组件布局，以最大程度地减少通过电源转换器和电感器开关电流生成的辐射和执行EMI。

DC-DC转换器因从当前环路发出的磁场传来的EMI而臭名昭著，这已不是什么秘密。该路径由输出开关节点以及接地的输入电容器组成。

辐射的EMI也是从MOSFET切换节点到电感器处的连接产生的。这会产生高DV/DT，因为它连续从高输入电压水平转换为接地以及电感器生成的电磁场。

该系统设计可能会导致多次昂贵的EMI实验室测试，以达到标准。集成模块可能是这里更好的选择。

5G EMI屏蔽

5G是一项很棒的技术。5G系统中的应用程序范围从智能手机，医疗保健和车辆到所有物品（V2X）到智能设备，公共安全等等。但是，一个不当的屏蔽装置故障可能会导致更大的通信SNAFU，可能会影响更广泛的系统破坏。

Designers must avoid open apertures as well as non-conductive regions that diminish the overall electronic enclosure. They allow EMI and RFI to exit the design areas to the outside or enter the system design area to possibly cause the system to malfunction or even fail.

One of the main open apertures and non-conductive regions is cable entry, particularly vulnerable near connectors. Power and signal access panels could contribute to EMI problems here. And finally, viewing windows, as well as heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) vents, can be access areas that EMI may enter or exit.

其他一些潜在脆弱的用例包括：

军队中的5G

军事围栏将需要通过MIL-STD-461，可能需要60 dB，80 dB甚至更高的衰减水平才能达到合规性。为了达到这样水平的电磁屏蔽衰减，开放的孔径和非导电区域可能不大于几千英寸。

5G在医疗领域

在某些敏感的医疗应用中，EMI可能会损害患者，甚至导致死亡。医疗设施必须适当地屏蔽操作剧院设备以及其他需要保护的区域，例如在哪里使用成像设备。

包装模块设计中的EMI屏蔽

系统中包装（SIP）模块设计和相关的组装技术在物联网，包装天线（AIP）和RF模块中起关键作用。高速数据传输和低延迟是5G RF系统的主要特征。

现在，让我们看一下SIP模块中的EMI涂料和分区技术。

EMI Coating

可以使用金属框架，溅射涂层或喷涂涂层技术来实现共形EMI屏蔽，以防止电子电路中的干扰。不幸的是，尽管基本的金属框架盾牌很好，但并不总是提供最佳性能。

A SiP with an EMI shielding structure is absolutely the most innovative technology in a 5G RF system. In the mobile computing market, antennas also are integrated in the SiP module to minimize board footprint.

3D SIP解决方案采用双面成型技术和AIP架构。在5G中，AIP技术已被广泛应用于许多物联网，RF模块和无线传输应用程序中。

对于以高于28 GHz的频率运行的5G毫米波（mmwave）生成，天线波长适用于小包装尺寸。这种小规模在AIP设计中提出了挑战，例如EMI屏蔽技术，分区设计，低损坏的底物材料选择和多层基板天线设计能力。分区EMI屏蔽技术用于隔离SIP模块中的不同功能块。

铜/SUS（“使用钢”不锈钢或不锈钢）溅射涂层是一种流行的涂料方法，用于组装行业。3至5 µm的厚度涂层具有理想的屏蔽性能以及涂层表面上非常好的颗粒粘附。

为了促进SIP中不同功能块之间更灵活的屏蔽设计，提出了隔室屏蔽技术来隔离SIP模块中数字和RF/Analog电路之间的信号噪声。

金属框架分区设计具有简单组装，较低的成本和良好的屏蔽效率（SE）的优势。但是，由于可能，SE可能在MMWave范围内降解锯齿状的焊接垫设计。结果，环氧填充正在成为一种更流行的屏蔽设计，该设计支持灵活的分区形状和MMWave信号中的良好SE性能。

Comparing EMI Shielding in Conformal Coating and Compartment Technologies¹

使用仿真模型和实际设备方法，在共形和隔室方法中，EMI屏蔽技术都显示出相同的趋势，并导致了实验。设计了测试车（TV），采用天线集成和分区EMI屏蔽技术的高级SIP模块设计。车厢sip模块的电视，带有650毫米²package size and 1.4-mm molding thickness, designed using metal frame and epoxy filling partition technology, is shown in the桌子。

在这项研究中，3 µm金属涂料保形技术的第一阶段，即10毫米包装尺寸，涉及单个单元和并排耦合模拟（见图）。

结果表明，在直流达6-GHz频率范围内，SE显着改善。另外，铁液涂层在RF模具上覆盖，并通过溅射技术将铜涂在成型化合物上。由于铁磁材料的固有截止频率特征，SE在6 GHz频带下方的改进。

这项研究也证明了车厢屏蔽。金属框架和导电环氧树脂被应用于仿真模型和真实装置。在该实验中，金属材料表现出更好的SE性能。根据SE计算公式，SE与材料的电导率成正比，该材料由皮肤效应主导。基于计算结果，Cu-Ni的SE比导电环氧树脂好8.3倍，这与模拟条件兼容。

最后，为了验证金属，环氧树脂和SUS + Cu之间的SE，在屏蔽壁底部的孔中有和没有孔，设计和测试了带有分区结构的AIP。由于电导率更好，金属框架和SUS + Cu涂层溶液在25和45GHz频带之间提高了35 dB SE。

总之，包装级的可靠性由JEDEC标准测试，其中包括MSL 3，TCT1000，U-HAST96和HTS1000测试条件。