高頻開關(guān)電源設(shè)計中的電磁兼容性問題研究

3.5 屏蔽技術(shù)

抑制開關(guān)電源產(chǎn)生騷擾輻射的又一種方法是屏蔽，目的是切斷電磁波的傳播途徑，用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題不會影響電路的正常工作。它用電導(dǎo)率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對磁場進行屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽，另外，還要對整個開關(guān)電源進行電場屏蔽。屏蔽應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁通路的連續(xù)性，如果采用螺釘固定，注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則，這些會成為騷擾發(fā)射天線，嚴重降低屏蔽效果。若對電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若對磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關(guān)電源的外殼一定要進行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。對于開關(guān)電源來說，主要是做好機殼屏蔽，高頻變壓器屏蔽，開關(guān)管和整流二極管的屏蔽，采用光電隔離技術(shù)。功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要用導(dǎo)熱性能好的絕緣片進行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開關(guān)電源的底板是交流電源的地線,因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射電磁干擾對其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導(dǎo)體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏蔽”效應(yīng),所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連。

3.6 元器件布局及印制電路板布線技術(shù)

開關(guān)電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小、通路的環(huán)路面積、以及電流頻率的平方的乘積成正比，即輻射騷擾E∝IAf2。運用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長。

上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，即是說開關(guān)電源的元器件彼此要緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊；在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。

在設(shè)計印制電路板時，應(yīng)盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起，以避免因元器件離的太遠而造成印制線過長所帶來的干擾；再者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(chǎn)生的干擾。在印制板上，將正負載流導(dǎo)線分別緊靠布在印制板的兩面，并設(shè)法使之保持平行，因為平行緊靠的正負載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。實踐證明，印制板的元器件布置和布線設(shè)計對開關(guān)電源EMC性能有極大的影響，在高頻開關(guān)電源中，由于印制板上既有電平為±5V～±15V的小信號控制線，又有高壓電源母線，同時還有一些高頻功率開關(guān)、磁性元件，如何在印制板有限的空間內(nèi)合理地安排元器件位置，將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。另外，切忌兩條印制信號線平行走線。如果平行走線無法避免，可通過以下方法來補救：

1）在兩條信號線之間加一條地線，以起屏蔽作用；

2）盡量拉開兩條平行信號線之間的距離，以降低兩線之間電磁場的影響；

3）使兩條平行的信號線流過的電流方向相反。布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進行的，因此在布線時，應(yīng)注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有：

1）盡量增大線間距離，使電容耦合為最?。?p> 2）采用靜電屏蔽，屏蔽層要接地；

3）降低敏感線路的輸入阻抗。

對磁場的抑制方法有：

1）減小騷擾源和敏感電路的環(huán)路面積；

2）增大線間距離，使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地??；

3）最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線，以便大大降低線路間耦合。

另外，通過分析印制導(dǎo)線的特性阻抗，來選取印制導(dǎo)線的放置方式、長度、寬度以及布局方式。單根導(dǎo)線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成，印制線l越短，直流電阻R就越??；同時增加印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。印制線長度l越短，自感L就越小,而且增加印制線的寬度b也可降低自感L。而多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，互感M除受印制線的長度和寬度影響外，印制線之間距離也起著重要的作用，增大兩線的間距可減少互感。針對以上現(xiàn)象，在設(shè)計印制電路板時，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗，因為電源線、地線和其它印制線都有電感，當(dāng)電源電流變化較大時，將會產(chǎn)生較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應(yīng)盡量縮短地線，也可盡量加粗電源線和地線線條。在雙面印制板設(shè)計中，除盡可能地加粗電源線和地線線條之外，還應(yīng)在地線和電源線之間安裝高頻特性好的去耦電容。

4 結(jié)語

要提高開關(guān)頻率，提高開關(guān)電源產(chǎn)品的質(zhì)量，電磁兼容性問題必須重點考慮。本文是在分析了干擾產(chǎn)生機理以及經(jīng)過大量實踐的基礎(chǔ)上，提出的行之有效的抑制措施。產(chǎn)生開關(guān)電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作要做。在設(shè)計時，還要從消除騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑出發(fā)，使開關(guān)電源的電磁干擾降到最低點。