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。