開關電源的EMC設計

摘要：文中針對開關電源的電磁兼容性設計，從濾波、屏蔽、PCB設計、接地等方面論述了EMC設計原則及注意事項，并給出了一個開關電源設計實例和測試結果對比。只有在設計時充分考慮EMC設計，并從各方面采取措施，才能避免設計后再補救抗干擾的麻煩。
關鍵詞：開關電源；電磁兼容(EMC)；印制電路板(PCB)；雷達

0 引言
現在，在電子產品的設計中，功耗己成為一個很重要的指標，開關電源也因高效、小型等特性而被越來越得到廣泛的應用。因此用開關電源取代線性電源己經成為必然。但是開關電源的功率器件工作在開關狀態，開關頻率一般在數十千赫到數百千赫，開關電源是一個很強的寬帶電磁發射源，功率越大發射越嚴重，這種趨勢導致了開關電源電磁兼容問題更加嚴重。電磁兼容(簡稱EMC)是指“設備在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態，即該設備不會由于受到處于同一電磁環境中的其他設備的電磁發射導致或遭受不允許的降級，它也不會使同一電磁環境中其它設備因受其電磁發射而導致或遭受不允許的降級”。
開關電源的EMC設計應從電路選擇、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的設計、接地等方面提出開關電源EMC的設計原則及注意事項，并以某雷達24V開關電源的設計為例說明設計中需要注意的問題。

1 開關電源EMC設計
1．1 濾波
濾波器是由電感、電容、電阻器或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡。在電源輸入輸出線上設置合適的線路濾波器可以有效抑制傳導發射和改善傳導敏感度。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，在濾波器阻帶內提供高的串聯阻抗和低的并聯阻抗，使它與噪聲源的阻抗和負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成，在阻帶內吸收噪聲的能量轉換為熱損耗，從而起到濾波作用。
選擇和安裝濾波器時，應遵循以下原則：
(1)濾波器必須良好屏蔽，屏蔽體與電源良好搭接。
(2)輸入濾波器應裝在輸入口處，輸出濾波器應裝在輸出口處，并遠離內部電磁發射很強的變壓器、電感器、功率開關等。若條件允許的話盡可能作為一個獨立部件與電源合理連接。
(3)濾波器的輸入、輸出線不能交叉，應采用屏蔽線或相互間設置屏蔽層。
(4)濾波器內部的元件，自身要進行良好的電磁屏蔽和接地處理，以免流過濾波器接地導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型，若用其他形狀可加短路環或磁屏蔽。線圈采用單層或分段式繞法，小電流時可采用蜂房繞制的多層線圈。共扼電感不能采取雙線并繞，應是對稱的2個獨立線圈。濾波電容應選高頻特性好的電容器。
(6)必要時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。
1．2 屏蔽
屏蔽技術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。屏蔽就是對兩個空間區域進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁場從一個區域到另一個區域的感應和輻射。
因此，選擇屏蔽材料時，應遵循以下原則：
(1)當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁場的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。
(2)當干擾電磁場的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內，防止擴散到屏蔽的空間去。
(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，嚴格場合要求小于0．5mΩ。屏蔽體的接地點應靠近被屏蔽的低電平接地點。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、通風孔、孔洞、非均勻表面等。
(7)開關電源既要考慮電磁屏蔽又要考慮散熱。散熱不好將嚴重影響可靠性，據有關可靠性資料介紹，內部溫升每增加10℃，MTBF值約減小一半。因此屏蔽與散熱必須綜合考慮。