开关电源的EMC设计

摘要：文中针对开关电源的电磁兼容性设计，从滤波、屏蔽、PCB设计、接地等方面论述了EMC设计原则及注意事项，并给出了一个开关电源设计实例和测试结果对比。只有在设计时充分考虑EMC设计，并从各方面采取措施，才能避免设计后再补救抗干扰的麻烦。
关键词：开关电源；电磁兼容(EMC)；印制电路板(PCB)；雷达

0 引言
    现在，在电子产品的设计中，功耗己成为一个很重要的指标，开关电源也因高效、小型等特性而被越来越得到广泛的应用。因此用开关电源取代线性电源己经成为必然。但是开关电源的功率器件工作在开关状态，开关频率一般在数十千赫到数百千赫，开关电源是一个很强的宽带电磁发射源，功率越大发射越严重，这种趋势导致了开关电源电磁兼容问题更加严重。电磁兼容(简称EMC)是指“设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其它设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。
    开关电源的EMC设计应从电路选择、元器件的选择、滤波、屏蔽、搭接、互连、接地、布局、滤波器、高频变压器及印刷电路板(PCB)等方面综合考虑。本文主要从滤波、屏蔽、PCB的设计、接地等方面提出开关电源EMC的设计原则及注意事项，并以某雷达24V开关电源的设计为例说明设计中需要注意的问题。

1 开关电源EMC设计
1．1 滤波
    滤波器是由电感、电容、电阻器或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络。在电源输入输出线上设置合适的线路滤波器可以有效抑制传导发射和改善传导敏感度。通常采用的有反射式和吸收式滤波器。反射式滤波器由电感、电容组成，在滤波器阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，使它与噪声源的阻抗和负载的阻抗完全不匹配，从而把不需要的频率反射回噪声源。吸收式滤波器则由有耗能器件构成，在阻带内吸收噪声的能量转换为热损耗，从而起到滤波作用。
    选择和安装滤波器时，应遵循以下原则：
    (1)滤波器必须良好屏蔽，屏蔽体与电源良好搭接。
    (2)输入滤波器应装在输入口处，输出滤波器应装在输出口处，并远离内部电磁发射很强的变压器、电感器、功率开关等。若条件允许的话尽可能作为一个独立部件与电源合理连接。
    (3)滤波器的输入、输出线不能交叉，应采用屏蔽线或相互间设置屏蔽层。
    (4)滤波器内部的元件，自身要进行良好的电磁屏蔽和接地处理，以免流过滤波器接地导线的短路电流造成有害电磁辐射。
    (5)滤波电感的铁芯最好采用罐型或环型，若用其他形状可加短路环或磁屏蔽。线圈采用单层或分段式绕法，小电流时可采用蜂房绕制的多层线圈。共扼电感不能采取双线并绕，应是对称的2个独立线圈。滤波电容应选高频特性好的电容器。
    (6)必要时可采用有源低通滤波器。它具有功率大、有效抑制带宽大、体积小的特点。
1．2 屏蔽
    屏蔽技术可以抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断辐射电磁噪声的传播途径，是减小电磁辐射及感应的有效措施，它分电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三种。屏蔽就是对两个空间区域进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁场从一个区域到另一个区域的感应和辐射。
    因此，选择屏蔽材料时，应遵循以下原则：
    (1)当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁场的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。
    (2)当干扰电磁场的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内，防止扩散到屏蔽的空间去。
    (3)在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果，往往需要采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
    (4)屏蔽体良好接地，接地电阻一般小于2mΩ，严格场合要求小于0．5mΩ。屏蔽体的接地点应靠近被屏蔽的低电平接地点。屏蔽体采用盒形，尽量无孔、无缝隙。
    (5)电源输入输出采用屏蔽插头座。输入、输出线采用双绞线，必要时再加屏蔽。
    (6)充分注意泄漏对屏蔽效能的影响。泄漏的通道有接缝、门、盖板、通风孔、孔洞、非均匀表面等。
    (7)开关电源既要考虑电磁屏蔽又要考虑散热。散热不好将严重影响可靠性，据有关可靠性资料介绍，内部温升每增加10℃，MTBF值约减小一半。因此屏蔽与散热必须综合考虑。

1．3 PCB设计
    PCB电磁干扰可分共模干扰和差模干扰两种，差模干扰取决于闭合环路中电流特性；共模干扰由对地的干扰电压引起。影响PCB电磁干扰的因素主要是PCB的结构，PCB的结构不同，其干扰效果也不同，另外，传输带的长度、回路面积、地线走向、整体布局等都会影响到干扰效果。PCB的EMC设计对于开关电源能否顺利地通过各项EMC试验至关重要。PCB良好的EMC设计可以收到事半功倍的效果，设计时需要认真考虑以下几点：
    a．PCB的合理分层
    首先，根据电源／地的种类、信号线的密集程度、特殊布线要求的信号数量以及成本价格等方面的综合因素来确定最终采用单层板、双面板还是多层板。如果成本允许，采用多层板来解决板级EMC问题是一种行之有效的途径。
    b．PCB的合理布局
    在PCB的设计中，布局是一个重要的环节，其结果的好坏将直接影响最终走线的效果。为了减少噪声的产生和防止由于噪声所引起的误动作，在进行元器件的布局时，应注意以下几点：
    (1)确定PCB的尺寸。PCB尺寸过大时，印制线条过长，阻抗增加，抗噪声能力下降；尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。印制板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。当印制板面积尺寸大于200mmx150mm时，应考虑其所受的机械强度。
    (2)应尽量将相互关联的元器件摆放在一起以避免因器件离得太远而造成印制线过长带来的干扰；缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。
    (3)易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
    (4)应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。
    c．PCB的合理布线
    合理的布线能够显著减小PCB板对外界的骚扰，并提高设备的抗扰度。一个有效减小辐射、提高设备抗扰度的布线原则就是控制电流的环路面积。虽然多层板在EMC方面有许多优势，但是出于成本的考虑，很多时候仍然选择双面板进行设计。双面板适用于要求中等组装密度的场合。当进行双面板的布线时，没有单独的电源面和地线面。这时最合理的布线顺序是：先电源／地线，然后是时钟线、总线和其它关键信号线，最后才是其它信号线，并且根据电流的大小，尽可能加宽电源／地线的宽度。实际布线时时需要注意：在两条平行的信号线之间加上一条地线，如图1所示，或用网络地线将信号线包围，如图2所示，电源与对应地线尽可能相邻平行走线，两层印制板的走线应尽量相互垂直减少板层间藕合和干扰，都能起到很好的屏蔽作用。此外，印制电路板“满接地”，如图3所示。设计及绘制印制电路板时，除了尽量加粗接地印制导线外，把板上未被占用的所有面积都作为接地线，使器件更好的就近接地，可以有效的降低寄生电感，大面积的地线能有力的减少噪声辐射。

1．4 接地
    接地是指系统在某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。接地目的有三个：
    (1)接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，用来保证电路系统能稳定的工作。
    (2)防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。
    (3)保证工作安全。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其他原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。
    因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。对于采用什么样的接地方式，要根据实际的电路而定，但原则是要求尽量降低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压，尽量避免形成不必要的地回路。而对于接地点的选择也很重要。因为两个接地点的电位很少有相同者，故多点接地时，接地点间的电位差将反映到电路中，噪声随之而生。一般来说，接地点的选择应使低电平电路受干扰最小，接地线也应尽可能短。在实际应用中，将接地与滤波、屏蔽等技术配合使用，对抑制干扰能起到事半功倍的作用。

2 设计实例
    以下是为某履带型雷达设计的48V／16A电源，其主要电气技术指标：交流输入电压：220V±10％，频率：50Hz±5％；直流输出电压：48V，16A。依照上述的设计原则。笔者设计了这个电源。该电源输入输出端采用了屏蔽插头座，输入端安装了军用滤波器，滤波器安装在输入口处，并与壳体连接在一起，保证了大面积接地。整个电路板被屏蔽起来，输入滤波器的输出端接入电路板的输入端。

3 测试结果
    首次进行GJB151A中陆军地面CE102、RE102测试时得到的结果如图4、图5所示，两项指标均不符合要求。经过采取相应的措施，在第二次测试时，测试结果如图6、图7所示。从测试结果看，在测试的所有频段范围内，得到的噪声频谱基本满足了总体提出的技术指标，符合GJB151A中陆军地面CE102、RE102的要求。

4 结束语
    EMC设计是一个系统的、整体的概念，它贯穿于开关电源设计的全过程，包括从开始的机械结构设计，到电路原理设计、模块及元件的选型、PCB板设计，甚至最后的电源安装等各个方面。本文主要从滤波、屏蔽、PCB的设计、接地等方面论述了开关电源EMC设计的原则和规律，并以一个开关电源的设计实例来作示范加以说明，希望会对初学者有所帮助。