高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(huì)影響電路的正常工作。它用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場(chǎng)泄露，可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽，另外，還要對(duì)整個(gè)開關(guān)電源進(jìn)行電場(chǎng)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(gè)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(huì)成為騷擾發(fā)射天線，嚴(yán)重降低屏蔽效果。若對(duì)電場(chǎng)屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若對(duì)磁場(chǎng)屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對(duì)非嵌入的外置式開關(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽，否則，很難通過(guò)輻射騷擾測(cè)試。對(duì)于開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主要是做好機(jī)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(shí)需要用導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)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(guò)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(gè)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(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)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(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)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(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護(hù)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(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長(zhǎng)。

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(shuō)開關(guān)電源的元器件彼此要緊密排列。在初級(jí)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(jí)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(jì)印制電路板時(shí)，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(yuǎn)而造成印制線過(guò)長(zhǎng)所帶來(lái)的干擾；再者將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)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(fù)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?yàn)槠叫芯o靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)是趨向于相互抵消的。實(shí)踐證明，印制板的元器件布置和布線設(shè)計(jì)對(duì)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(hào)控制線，又有高壓電源母線，同時(shí)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(hào)線平行走線。如果平行走線無(wú)法避免，可通過(guò)以下方法來(lái)補(bǔ)救：

1）在兩條信號(hào)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(hào)線之間的距離，以降低兩線之間電磁場(chǎng)的影響；

3）使兩條平行的信號(hào)線流過(guò)的電流方向相反。布線間的電磁耦合是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行的，因此在布線時(shí)，應(yīng)注意對(duì)電場(chǎng)與磁場(chǎng)耦合的抑制。對(duì)電場(chǎng)的抑制方法有：

1）盡量增大線間距離，使電容耦合為最??；

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(duì)磁場(chǎng)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小；

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(guò)分析印制導(dǎo)線的特性阻抗，來(lái)選取印制導(dǎo)線的放置方式、長(zhǎng)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(shí)增加印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。印制線長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)以上現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗，因?yàn)殡娫淳€、地線和其它印制線都有電感，當(dāng)電源電流變化較大時(shí)，將會(huì)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(jì)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(yǔ)

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(diǎn)考慮。本文是在分析了干擾產(chǎn)生機(jī)理以及經(jīng)過(guò)大量實(shí)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(jì)時(shí)，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(diǎn)。