開關電源EMC設計的原則和規(guī)律概述

0 引言

現在，在電子產品的設計中，功耗己成為一個很重要的指標，開關電源也因高效、小型等特性而被越來越得到廣泛的應用。因此用開關電源取代線性電源己經成為必然。但是開關電源的功率器件工作在開關狀態(tài)，開關頻率一般在數十千赫到數百千赫，開關電源是一個很強的寬帶電磁發(fā)射源，功率越大發(fā)射越嚴重，這種趨勢導致了開關電源電磁兼容問題更加嚴重。電磁兼容（簡稱EMC）是指“設備在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中的其他設備的電磁發(fā)射導致或遭受不允許的降級，它也不會使同一電磁環(huán)境中其它設備因受其電磁發(fā)射而導致或遭受不允許的降級”。

開關電源的EMC設計應從電路選擇、元器件的選擇、濾波、屏蔽、搭接、互連、接地、布局、濾波器、高頻變壓器及印刷電路板（PCB）等方面綜合考慮。本文主要從濾波、屏蔽、PCB的設計、接地等方面提出開關電源EMC的設計原則及注意事項，并以某雷達24V開關電源的設計為例說明設計中需要注意的問題。

1 開關電源EMC設計

1．1 濾波

濾波器是由電感、電容、電阻器或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡。在電源輸入輸出線上設置合適的線路濾波器可以有效抑制傳導發(fā)射和改善傳導敏感度。通常采用的有反射式和吸收式濾波器。反射式濾波器由電感、電容組成，在濾波器阻帶內提供高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，使它與噪聲源的阻抗和負載的阻抗完全不匹配，從而把不需要的頻率反射回噪聲源。吸收式濾波器則由有耗能器件構成，在阻帶內吸收噪聲的能量轉換為熱損耗，從而起到濾波作用。

選擇和安裝濾波器時，應遵循以下原則：

（1）濾波器必須良好屏蔽，屏蔽體與電源良好搭接。

（2）輸入濾波器應裝在輸入口處，輸出濾波器應裝在輸出口處，并遠離內部電磁發(fā)射很強的變壓器、電感器、功率開關等。若條件允許的話盡可能作為一個獨立部件與電源合理連接。

（3）濾波器的輸入、輸出線不能交叉，應采用屏蔽線或相互間設置屏蔽層。

（4）濾波器內部的元件，自身要進行良好的電磁屏蔽和接地處理，以免流過濾波器接地導線的短路電流造成有害電磁輻射。

（5）濾波電感的鐵芯最好采用罐型或環(huán)型，若用其他形狀可加短路環(huán)或磁屏蔽。線圈采用單層或分段式繞法，小電流時可采用蜂房繞制的多層線圈。共扼電感不能采取雙線并繞，應是對稱的2個獨立線圈。濾波電容應選高頻特性好的電容器。

（6）必要時可采用有源低通濾波器。它具有功率大、有效抑制帶寬大、體積小的特點。

1．2 屏蔽

屏蔽技術可以抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳播途徑，是減小電磁輻射及感應的有效措施，它分電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽三種。屏蔽就是對兩個空間區(qū)域進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁場從一個區(qū)域到另一個區(qū)域的感應和輻射。

因此，選擇屏蔽材料時，應遵循以下原則：

（1）當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁場的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。

（2）當干擾電磁場的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內，防止擴散到屏蔽的空間去。

（3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果，往往需要采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

（4）屏蔽體良好接地，接地電阻一般小于2mΩ，嚴格場合要求小于0．5mΩ。屏蔽體的接地點應靠近被屏蔽的低電平接地點。屏蔽體采用盒形，盡量無孔、無縫隙。

（5）電源輸入輸出采用屏蔽插頭座。輸入、輸出線采用雙絞線，必要時再加屏蔽。

（6）充分注意泄漏對屏蔽效能的影響。泄漏的通道有接縫、門、蓋板、通風孔、孔洞、非均勻表面等。

（7）開關電源既要考慮電磁屏蔽又要考慮散熱。散熱不好將嚴重影響可靠性，據有關可靠性資料介紹，內部溫升每增加10℃，MTBF值約減小一半。因此屏蔽與散熱必須綜合考慮。

1．3 PCB設計

PCB電磁干擾可分共模干擾和差模干擾兩種，差模干擾取決于閉合環(huán)路中電流特性；共模干擾由對地的干擾電壓引起。影響PCB電磁干擾的因素主要是PCB的結構，PCB的結構不同，其干擾效果也不同，另外，傳輸帶的長度、回路面積、地線走向、整體布局等都會影響到干擾效果。PCB的EMC設計對于開關電源能否順利地通過各項EMC試驗至關重要。PCB良好的EMC設計可以收到事半功倍的效果，設計時需要認真考慮以下幾點：

a．PCB的合理分層

首先，根據電源／地的種類、信號線的密集程度、特殊布線要求的信號數量以及成本價格等方面的綜合因素來確定最終采用單層板、雙面板還是多層板。如果成本允許，采用多層板來解決板級EMC問題是一種行之有效的途徑。

b．PCB的合理布局

在PCB的設計中，布局是一個重要的環(huán)節(jié)，其結果的好壞將直接影響最終走線的效果。為了減少噪聲的產生和防止由于噪聲所引起的誤動作，在進行元器件的布局時，應注意以下幾點：

（1）確定PCB的尺寸。PCB尺寸過大時，印制線條過長，阻抗增加，抗噪聲能力下降；尺寸過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。印制板的最佳形狀為矩形，長寬比為3：2或4：3。當印制板面積尺寸大于200mmx150mm時，應考慮其所受的機械強度。

（2）應盡量將相互關聯(lián)的元器件擺放在一起以避免因器件離得太遠而造成印制線過長帶來的干擾；緩沖電路盡量貼近開關管和輸出整流二極管。

（3）易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。

（4）應將輸入信號和輸出信號盡量放置在引線端口附近，以避免因耦合路徑而產生的干擾。

c．PCB的合理布線

合理的布線能夠顯著減小PCB板對外界的騷擾，并提高設備的抗擾度。一個有效減小輻射、提高設備抗擾度的布線原則就是控制電流的環(huán)路面積。雖然多層板在EMC方面有許多優(yōu)勢，但是出于成本的考慮，很多時候仍然選擇雙面板進行設計。雙面板適用于要求中等組裝密度的場合。當進行雙面板的布線時，沒有單獨的電源面和地線面。這時最合理的布線順序是：先電源／地線，然后是時鐘線、總線和其它關鍵信號線，最后才是其它信號線，并且根據電流的大小，盡可能加寬電源／地線的寬度。實際布線時時需要注意：在兩條平行的信號線之間加上一條地線，如圖1所示，或用網絡地線將信號線包圍，如圖2所示，電源與對應地線盡可能相鄰平行走線，兩層印制板的走線應盡量相互垂直減少板層間藕合和干擾，都能起到很好的屏蔽作用。此外，印制電路板“滿接地”，如圖3所示。設計及繪制印制電路板時，除了盡量加粗接地印制導線外，把板上未被占用的所有面積都作為接地線，使器件更好的就近接地，可以有效的降低寄生電感，大面積的地線能有力的減少噪聲輻射。

1．4 接地

接地是指系統(tǒng)在某個選定點與某個接地面之間建立導電的通路設計。接地目的有三個：

（1）接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，用來保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作。

（2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。

（3）保證工作安全。當發(fā)生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其他原因直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。

因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。對于采用什么樣的接地方式，要根據實際的電路而定，但原則是要求盡量降低多電路公共接地阻抗上所產生的干擾電壓，盡量避免形成不必要的地回路。而對于接地點的選擇也很重要。因為兩個接地點的電位很少有相同者，故多點接地時，接地點間的電位差將反映到電路中，噪聲隨之而生。一般來說，接地點的選擇應使低電平電路受干擾最小，接地線也應盡可能短。在實際應用中，將接地與濾波、屏蔽等技術配合使用，對抑制干擾能起到事半功倍的作用。

2 設計實例

以下是為某履帶型雷達設計的48V／16A電源，其主要電氣技術指標：交流輸入電壓：220V±10％，頻率：50Hz±5％；直流輸出電壓：48V，16A。依照上述的設計原則。筆者設計了這個電源。該電源輸入輸出端采用了屏蔽插頭座，輸入端安裝了軍用濾波器，濾波器安裝在輸入口處，并與殼體連接在一起，保證了大面積接地。整個電路板被屏蔽起來，輸入濾波器的輸出端接入電路板的輸入端。

3 測試結果

首次進行GJB151A中陸軍地面CE102、RE102測試時得到的結果如圖4、圖5所示，兩項指標均不符合要求。經過采取相應的措施，在第二次測試時，測試結果如圖6、圖7所示。從測試結果看，在測試的所有頻段范圍內，得到的噪聲頻譜基本滿足了總體提出的技術指標，符合GJB151A中陸軍地面CE102、RE102的要求。

4 結束語

EMC設計是一個系統(tǒng)的、整體的概念，它貫穿于開關電源設計的全過程，包括從開始的機械結構設計，到電路原理設計、模塊及元件的選型、PCB板設計，甚至最后的電源安裝等各個方面。本文主要從濾波、屏蔽、PCB的設計、接地等方面論述了開關電源EMC設計的原則和規(guī)律，并以一個開關電源的設計實例來作示范加以說明，希望會對初學者有所幫助。