0 引言

現(xiàn)在，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，功耗己成為一個(gè)很重要的指標(biāo)，開關(guān)電源也因高效、小型等特性而被越來越得到廣泛的應(yīng)用。因此用開關(guān)電源取代線性電源己經(jīng)成為必然。但是開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率一般在數(shù)十千赫到數(shù)百千赫，開關(guān)電源是一個(gè)很強(qiáng)的寬帶電磁發(fā)射源，功率越大發(fā)射越嚴(yán)重，這種趨勢導(dǎo)致了開關(guān)電源電磁兼容問題更加嚴(yán)重。電磁兼容（簡稱EMC）是指“設(shè)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(shè)備不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中的其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級，它也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其它設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級”。

開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)、接地等方面提出開關(guān)電源EMC的設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)，并以某雷達(dá)24V開關(guān)電源的設(shè)計(jì)為例說明設(shè)計(jì)中需要注意的問題。

1 開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)

1．1 濾波

濾波器是由電感、電容、電阻器或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò)。在電源輸入輸出線上設(shè)置合適的線路濾波器可以有效抑制傳導(dǎo)發(fā)射和改善傳導(dǎo)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(nèi)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(fù)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(gòu)成，在阻帶內(nèi)吸收噪聲的能量轉(zhuǎn)換為熱損耗，從而起到濾波作用。

選擇和安裝濾波器時(shí)，應(yīng)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(yīng)裝在輸入口處，輸出濾波器應(yīng)裝在輸出口處，并遠(yuǎn)離內(nèi)部電磁發(fā)射很強(qiáng)的變壓器、電感器、功率開關(guān)等。若條件允許的話盡可能作為一個(gè)獨(dú)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(yīng)采用屏蔽線或相互間設(shè)置屏蔽層。

（4）濾波器內(nèi)部的元件，自身要進(jìn)行良好的電磁屏蔽和接地處理，以免流過濾波器接地導(dǎo)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(shí)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(yīng)是對稱的2個(gè)獨(dú)立線圈。濾波電容應(yīng)選高頻特性好的電容器。

（6）必要時(shí)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(diǎn)。

1．2 屏蔽

屏蔽技術(shù)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(yīng)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(gè)空間區(qū)域進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁場從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。

因此，選擇屏蔽材料時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

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

（2）當(dāng)干擾電磁場的頻率較低時(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)，防止擴(kuò)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(yán)格場合要求小于0．5mΩ。屏蔽體的接地點(diǎn)應(yīng)靠近被屏蔽的低電平接地點(diǎn)。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(shí)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(fēng)孔、孔洞、非均勻表面等。

（7）開關(guān)電源既要考慮電磁屏蔽又要考慮散熱。散熱不好將嚴(yán)重影響可靠性，據(jù)有關(guān)可靠性資料介紹，內(nèi)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(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)，PCB的結(jié)構(gòu)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(huì)影響到干擾效果。PCB的EMC設(shè)計(jì)對于開關(guān)電源能否順利地通過各項(xiàng)EMC試驗(yàn)至關(guān)重要。PCB良好的EMC設(shè)計(jì)可以收到事半功倍的效果，設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真考慮以下幾點(diǎn)：

a．PCB的合理分層

首先，根據(jù)電源／地的種類、信號線的密集程度、特殊布線要求的信號數(shù)量以及成本價(jià)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(shè)計(jì)中，布局是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其結(jié)果的好壞將直接影響最終走線的效果。為了減少噪聲的產(chǎn)生和防止由于噪聲所引起的誤動(dòng)作，在進(jìn)行元器件的布局時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）確定PCB的尺寸。PCB尺寸過大時(shí)，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(dāng)印制板面積尺寸大于200mmx150mm時(shí)，應(yīng)考慮其所受的機(jī)械強(qiáng)度。

（2）應(yīng)盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起以避免因器件離得太遠(yuǎn)而造成印制線過長帶來的干擾；緩沖電路盡量貼近開關(guān)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(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

（4）應(yīng)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。

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(shè)備的抗擾度。一個(gè)有效減小輻射、提高設(shè)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(shí)候仍然選擇雙面板進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙面板適用于要求中等組裝密度的場合。當(dāng)進(jìn)行雙面板的布線時(shí)，沒有單獨(dú)的電源面和地線面。這時(shí)最合理的布線順序是：先電源／地線，然后是時(shí)鐘線、總線和其它關(guān)鍵信號線，最后才是其它信號線，并且根據(jù)電流的大小，盡可能加寬電源／地線的寬度。實(shí)際布線時(shí)時(shí)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(wǎng)絡(luò)地線將信號線包圍，如圖2所示，電源與對應(yīng)地線盡可能相鄰平行走線，兩層印制板的走線應(yīng)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(shè)計(jì)及繪制印制電路板時(shí)，除了盡量加粗接地印制導(dǎo)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(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的通路設(shè)計(jì)。接地目的有三個(gè)：

（1）接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè)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(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)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(shè)備內(nèi)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(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)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(jī)殼相通時(shí)，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(jù)實(shí)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(chǎn)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(diǎn)的選擇也很重要。因?yàn)閮蓚€(gè)接地點(diǎn)的電位很少有相同者，故多點(diǎn)接地時(shí)，接地點(diǎn)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(diǎn)的選擇應(yīng)使低電平電路受干擾最小，接地線也應(yīng)盡可能短。在實(shí)際應(yīng)用中，將接地與濾波、屏蔽等技術(shù)配合使用，對抑制干擾能起到事半功倍的作用。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

以下是為某履帶型雷達(dá)設(shè)計(jì)的48V／16A電源，其主要電氣技術(shù)指標(biāo)：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(shè)計(jì)原則。筆者設(shè)計(jì)了這個(gè)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(gè)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(jié)果

首次進(jìn)行GJB151A中陸軍地面CE102、RE102測試時(shí)得到的結(jié)果如圖4、圖5所示，兩項(xiàng)指標(biāo)均不符合要求。經(jīng)過采取相應(yīng)的措施，在第二次測試時(shí)，測試結(jié)果如圖6、圖7所示。從測試結(jié)果看，在測試的所有頻段范圍內(nèi)，得到的噪聲頻譜基本滿足了總體提出的技術(shù)指標(biāo)，符合GJB151A中陸軍地面CE102、RE102的要求。

4 結(jié)束語

EMC設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的、整體的概念，它貫穿于開關(guān)電源設(shè)計(jì)的全過程，包括從開始的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到電路原理設(shè)計(jì)、模塊及元件的選型、PCB板設(shè)計(jì)，甚至最后的電源安裝等各個(gè)方面。本文主要從濾波、屏蔽、PCB的設(shè)計(jì)、接地等方面論述了開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的原則和規(guī)律，并以一個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)實(shí)例來作示范加以說明，希望會(huì)對初學(xué)者有所幫助。