高频开关电源设计中的电磁兼容性问题研究

3.5 屏蔽技术

抑制开关电源产生骚扰辐射的又一种方法是屏蔽，目的是切断电磁波的传播途径，用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题不会影响电路的正常工作。它用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合环形成磁屏蔽，另外，还要对整个开关电源进行电场屏蔽。屏蔽应考虑散热和通风问题，屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形多孔，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。接缝处要焊接，以保证电磁通路的连续性，如果采用螺钉固定，注意螺钉间距要短。屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施，否则，这些会成为骚扰发射天线，严重降低屏蔽效果。若对电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地，否则，将起不到屏蔽效果；若对磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。对非嵌入的外置式开关电源的外壳一定要进行电场屏蔽，否则，很难通过辐射骚扰测试。对于开关电源来说，主要是做好机壳屏蔽，高频变压器屏蔽，开关管和整流二极管的屏蔽，采用光电隔离技术。功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要用导热性能好的绝缘片进行绝缘,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线,因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰,解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割断射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射电磁干扰对其他电子设备的影响,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应,所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连。

3.6 元器件布局及印制电路板布线技术

开关电源的辐射骚扰与电流通路中的电流大小、通路的环路面积、以及电流频率的平方的乘积成正比，即辐射骚扰E∝IAf2。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。

上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键，即是说开关电源的元器件彼此要紧密排列。在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近，且布线紧凑；在次级电路中，要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。

在设计印制电路板时，应尽量将相互关联的元器件摆放在一起，以避免因元器件离的太远而造成印制线过长所带来的干扰；再者将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。在印制板上，将正负载流导线分别紧靠布在印制板的两面，并设法使之保持平行，因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。实践证明，印制板的元器件布置和布线设计对开关电源EMC性能有极大的影响，在高频开关电源中，由于印制板上既有电平为±5V～±15V的小信号控制线，又有高压电源母线，同时还有一些高频功率开关、磁性元件，如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置，将直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。另外，切忌两条印制信号线平行走线。如果平行走线无法避免，可通过以下方法来补救：

1）在两条信号线之间加一条地线，以起屏蔽作用；

2）尽量拉开两条平行信号线之间的距离，以降低两线之间电磁场的影响；

3）使两条平行的信号线流过的电流方向相反。布线间的电磁耦合是通过电场和磁场进行的，因此在布线时，应注意对电场与磁场耦合的抑制。对电场的抑制方法有：

1）尽量增大线间距离，使电容耦合为最小；

2）采用静电屏蔽，屏蔽层要接地；

3）降低敏感线路的输入阻抗。

对磁场的抑制方法有：

1）减小骚扰源和敏感电路的环路面积；

2）增大线间距离，使耦合骚扰源与敏感电路间的互感尽可能地小；

3）最好使骚扰源与敏感电路呈直角布线，以便大大降低线路间耦合。

另外，通过分析印制导线的特性阻抗，来选取印制导线的放置方式、长度、宽度以及布局方式。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成，印制线l越短，直流电阻R就越小；同时增加印制线的宽度和厚度也可降低直流电阻R。印制线长度l越短，自感L就越小,而且增加印制线的宽度b也可降低自感L。而多根印制线的特性阻抗除由直流电阻R和自感L组成外，还有互感M的影响，互感M除受印制线的长度和宽度影响外，印制线之间距离也起着重要的作用，增大两线的间距可减少互感。针对以上现象，在设计印制电路板时，应尽量降低电源线和地线的阻抗，因为电源线、地线和其它印制线都有电感，当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，也可尽量加粗电源线和地线线条。在双面印制板设计中，除尽可能地加粗电源线和地线线条之外，还应在地线和电源线之间安装高频特性好的去耦电容。

4 结语

要提高开关频率，提高开关电源产品的质量，电磁兼容性问题必须重点考虑。本文是在分析了干扰产生机理以及经过大量实践的基础上，提出的行之有效的抑制措施。产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作要做。在设计时，还要从消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径出发，使开关电源的电磁干扰降到最低点。