王榮統(tǒng),呂 浩,蕭 平,朱之貞,張 元,武振基,胡建明,梁山軍

（1.云南省計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)研究中心，昆明，650051；2.總裝防化駐昆明地區(qū)軍代室，昆明,650000）

0 引言

車載電源是一種為特殊車輛上裝設(shè)備提供電源保障的設(shè)備，因其采用了電源轉(zhuǎn)換器作為交直流充電的主要功率器件，會產(chǎn)生多種類型的電磁干擾，干擾現(xiàn)象較復(fù)雜，有效地解決這一問題往往比較困難。文中對車載電源的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)，以此來介紹電源類電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)方法和途徑。

1 明確設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目標(biāo)

為了使車載電源的電磁兼容設(shè)計(jì)做到有的放矢，在設(shè)計(jì)初期就根據(jù)產(chǎn)品電磁特性指標(biāo)的要求，了解電磁兼容特性項(xiàng)目的試驗(yàn)及其測試方法，明確該產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目標(biāo)，制定了EMC 設(shè)計(jì)方案。從確定干擾源、濾波處理、PCB 電路板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)、差模和共模輻射的抑制方法來解決車載電源的電磁兼容性。

2 干擾源確定

車載電源使用的電源轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部采用功率型半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)其電源間的轉(zhuǎn)換，使用時通常工作在開關(guān)狀態(tài)，頻率從幾十Hz 到幾十kHz,甚至更高；由功率半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷形成的電壓、電流波形，其前后沿具有較高的瞬態(tài)變化率，同時還有伴隨寄生電流、電壓的產(chǎn)生，形成強(qiáng)度較大的波形毛刺，會形成不同類型的電磁干擾，同時這些功率半導(dǎo)體器件很容易受到外部電磁場干擾。通常電源轉(zhuǎn)換器在工作時出現(xiàn)的電磁干擾的起因來源于開關(guān)晶體管、高頻變壓器和輸出整理回路產(chǎn)生的高頻、高幅值電流、電壓（du/dt 和di/dt）脈沖信號的高次諧波，輻射反射、共模和差模傳導(dǎo)干擾都會出現(xiàn)。此外車載電源的其它部分的控制電路均為小功率的數(shù)字電路，其影響比較小，因此可以確定電源轉(zhuǎn)換器是車載電源內(nèi)部電磁干擾源。圖1 給出了電源轉(zhuǎn)換器的主電路部分，方便大家對電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電磁波進(jìn)行分析。

3 濾波處理

設(shè)計(jì)之初，對電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電磁波輻射發(fā)射和電源線傳導(dǎo)掃描和測試，發(fā)現(xiàn)其峰值超過了電磁兼容指標(biāo)極限值，對掃描的波形曲線的峰值、頻段進(jìn)行分析，并通過對同一批次、同一信號的電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對比試驗(yàn)，證實(shí)了干擾源確定的有效性，并擬定了諧波輻射、傳導(dǎo)抑制的對策。即，在電源轉(zhuǎn)換器的輸出端增加低通濾波器進(jìn)行諧波輻射抑制，在車載電源整機(jī)電源輸入接口處進(jìn)行共模和差模抑制的濾波處理；在車載電源的對外提供電源輸出端，利用地線、電源線和磁環(huán)繞制成共模電感，電源線之間套裝磁環(huán)形成對差模傳導(dǎo)干擾的抑制。并結(jié)合結(jié)構(gòu)、布線工藝整機(jī)設(shè)計(jì)和處理，最終使車載電源順利地通過了嚴(yán)格的GJB151-97 中CE102、CS101、CS114、RE102、RS103 電磁兼容試驗(yàn)。

4 結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)

車載電源是一款功率型設(shè)備，其內(nèi)部有電源轉(zhuǎn)換器、二級管、繼電器等發(fā)熱器件，且組裝密度比較高，要求車載電源設(shè)備系統(tǒng)具有良好的散熱特性。但受使用環(huán)境和電磁兼容特性指標(biāo)限制，不允許在箱體上開設(shè)尺寸和面積較大的散熱孔。如何有效地解決散熱和屏蔽的茅盾是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在對電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了電磁波形掃描和分析后，發(fā)現(xiàn)電磁輻射發(fā)射波形幅值超標(biāo)的頻率范圍為30MHz 到300MHz 之間，從而確定其波長范圍，取最長波長的1/200 為箱體通風(fēng)孔孔徑參考尺寸，把通風(fēng)孔加工成深孔和整列形狀，起到散熱和對電磁波的截止疲敝作用；對于顯示窗口采用兩層有機(jī)玻璃，在有機(jī)玻璃之間夾裝銅質(zhì)絲網(wǎng)，并使絲網(wǎng)壓緊在箱體內(nèi)壁上；箱體的結(jié)合部分采用搭接形式，增加箱體組合部分縫隙深度，并在組裝搭接部分加裝導(dǎo)電疲敝襯墊,所有板卡的地都匯集到底板上，確保整機(jī)內(nèi)部具有較好的電氣連接特性。

5 PCB 板的電磁兼容性設(shè)計(jì)

通常一個電路的電磁輻射和接收的能力往往是一致的，即一個電路的電磁輻射效率高，往往接收效率也高。因此，在設(shè)計(jì)中抑制線路板的電磁輻射，同時也就提高了線路板的抗干擾能力，PCB 走線形式和I/O 電纜是主要的輻射源，走線形成的環(huán)路會產(chǎn)生差模輻射，I/O 電纜會使內(nèi)部的電磁波以共模方式輻射。從減少輻射干擾的角度出發(fā)，選用多層板，電源線、時鐘線、信號線與地線盡量靠近，減小接地線路阻抗，抑制公共阻抗噪聲；加大信號器件與地的接地面積，使其發(fā)布電容增加，抑制電磁波向空間輻射的能力；使電源線、地線、PCB 板走線對高頻信號保持低阻抗，增加濾波電容，削弱它們之間形成對電磁波的接收和發(fā)射的天線功能，盡量使用短而粗均勻的走線方式；布線應(yīng)盡量使信號線與回路線形成的電路環(huán)路面積最小，走線應(yīng)盡量短而直；元器件的焊接應(yīng)盡量采用機(jī)械自動焊接，提高焊接質(zhì)量，降低人工成本。

6 接地設(shè)計(jì)

車載電源工作時其內(nèi)部電路中具有1MHz 以下、1MHz 到10MHz 之間、10MHz 以上頻率電磁脈沖存在，所以其地線系統(tǒng)采用混合接地方式。采用粗線或母排進(jìn)行地線布置，并使其能通過三倍于PCB 板的允許電流，以提高抗噪聲性能；將同一功能電路的覆銅用粗導(dǎo)線或母排連在一起，以保證地線質(zhì)量，降低噪音；使信號線和地線一一對應(yīng)，保證每一根信號線都有一個單獨(dú)的接地回路，這樣公共阻抗的耦合將不存在，而且導(dǎo)線間的串?dāng)_也將減至最小，屏蔽電纜的屏蔽層接地。

7 結(jié)束語

電磁兼容性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的應(yīng)用技術(shù)，在產(chǎn)品工程應(yīng)用中應(yīng)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，對理論中基本概念和公式進(jìn)行分析與總結(jié)，對新材料、新器件、新工藝和新技術(shù)應(yīng)進(jìn)行跟蹤了解，從中尋求解決實(shí)際工程中的問題的方法，使電磁兼容性設(shè)計(jì)做到有的放矢。另外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該進(jìn)行電磁兼容性方面的設(shè)計(jì)和考慮，盡量避免后期整改帶來的不便，并在實(shí)踐中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提升產(chǎn)品電磁兼容性方面的設(shè)計(jì)水平。

圖1 電源轉(zhuǎn)換器主電路Fig.1 The main circuit of power supply module

[1] 楊士元.電磁屏蔽理論與實(shí)踐，國防工業(yè)出版社，2006.1，ISBN7-118-04078-9

[2] 郝曉東，喬恩明.電源系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)與應(yīng)用，店里出版社，2007.7 月，ISBN978-7-5083-5271-8

[3] 錢振宇，史建華.開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)、測試和典型案例，電子工業(yè)出版社，2011.7,ISBN978-7-121-13894-2