车载电源的电磁兼容性（EMC）设计

2014-01-03王荣统朱之贞武振基胡建明梁山军

电子测试 2014年2期

王荣统,吕浩,萧平,朱之贞,张元,武振基,胡建明,梁山军

（1.云南省计算机软件技术开发研究中心，昆明，650051；2.总装防化驻昆明地区军代室，昆明,650000）

0 引言

车载电源是一种为特殊车辆上装设备提供电源保障的设备，因其采用了电源转换器作为交直流充电的主要功率器件，会产生多种类型的电磁干扰，干扰现象较复杂，有效地解决这一问题往往比较困难。文中对车载电源的电磁兼容性（EMC）设计方法进行了归纳和总结，以此来介绍电源类电子产品的电磁兼容设计方法和途径。

1 明确设计的内容和目标

为了使车载电源的电磁兼容设计做到有的放矢，在设计初期就根据产品电磁特性指标的要求，了解电磁兼容特性项目的试验及其测试方法，明确该产品电磁兼容设计的内容和目标，制定了EMC 设计方案。从确定干扰源、滤波处理、PCB 电路板设计、结构屏蔽设计、差模和共模辐射的抑制方法来解决车载电源的电磁兼容性。

2 干扰源确定

车载电源使用的电源转换器，其内部采用功率型半导体器件来实现其电源间的转换，使用时通常工作在开关状态，频率从几十Hz 到几十kHz,甚至更高；由功率半导体器件的开通和关断形成的电压、电流波形，其前后沿具有较高的瞬态变化率，同时还有伴随寄生电流、电压的产生，形成强度较大的波形毛刺，会形成不同类型的电磁干扰，同时这些功率半导体器件很容易受到外部电磁场干扰。通常电源转换器在工作时出现的电磁干扰的起因来源于开关晶体管、高频变压器和输出整理回路产生的高频、高幅值电流、电压（du/dt 和di/dt）脉冲信号的高次谐波，辐射反射、共模和差模传导干扰都会出现。此外车载电源的其它部分的控制电路均为小功率的数字电路，其影响比较小，因此可以确定电源转换器是车载电源内部电磁干扰源。图1 给出了电源转换器的主电路部分，方便大家对电源转换器产生电磁波进行分析。

3 滤波处理

设计之初，对电源转换器进行电磁波辐射发射和电源线传导扫描和测试，发现其峰值超过了电磁兼容指标极限值，对扫描的波形曲线的峰值、频段进行分析，并通过对同一批次、同一信号的电源转换器进行对比试验，证实了干扰源确定的有效性，并拟定了谐波辐射、传导抑制的对策。即，在电源转换器的输出端增加低通滤波器进行谐波辐射抑制，在车载电源整机电源输入接口处进行共模和差模抑制的滤波处理；在车载电源的对外提供电源输出端，利用地线、电源线和磁环绕制成共模电感，电源线之间套装磁环形成对差模传导干扰的抑制。并结合结构、布线工艺整机设计和处理，最终使车载电源顺利地通过了严格的GJB151-97 中CE102、CS101、CS114、RE102、RS103 电磁兼容试验。

4 结构屏蔽设计

车载电源是一款功率型设备，其内部有电源转换器、二级管、继电器等发热器件，且组装密度比较高，要求车载电源设备系统具有良好的散热特性。但受使用环境和电磁兼容特性指标限制，不允许在箱体上开设尺寸和面积较大的散热孔。如何有效地解决散热和屏蔽的茅盾是结构设计的难点。在对电源转换器进行了电磁波形扫描和分析后，发现电磁辐射发射波形幅值超标的频率范围为30MHz 到300MHz 之间，从而确定其波长范围，取最长波长的1/200 为箱体通风孔孔径参考尺寸，把通风孔加工成深孔和整列形状，起到散热和对电磁波的截止疲敝作用；对于显示窗口采用两层有机玻璃，在有机玻璃之间夹装铜质丝网，并使丝网压紧在箱体内壁上；箱体的结合部分采用搭接形式，增加箱体组合部分缝隙深度，并在组装搭接部分加装导电疲敝衬垫,所有板卡的地都汇集到底板上，确保整机内部具有较好的电气连接特性。

5 PCB 板的电磁兼容性设计

通常一个电路的电磁辐射和接收的能力往往是一致的，即一个电路的电磁辐射效率高，往往接收效率也高。因此，在设计中抑制线路板的电磁辐射，同时也就提高了线路板的抗干扰能力，PCB 走线形式和I/O 电缆是主要的辐射源，走线形成的环路会产生差模辐射，I/O 电缆会使内部的电磁波以共模方式辐射。从减少辐射干扰的角度出发，选用多层板，电源线、时钟线、信号线与地线尽量靠近，减小接地线路阻抗，抑制公共阻抗噪声；加大信号器件与地的接地面积，使其发布电容增加，抑制电磁波向空间辐射的能力；使电源线、地线、PCB 板走线对高频信号保持低阻抗，增加滤波电容，削弱它们之间形成对电磁波的接收和发射的天线功能，尽量使用短而粗均匀的走线方式；布线应尽量使信号线与回路线形成的电路环路面积最小，走线应尽量短而直；元器件的焊接应尽量采用机械自动焊接，提高焊接质量，降低人工成本。

6 接地设计

车载电源工作时其内部电路中具有1MHz 以下、1MHz 到10MHz 之间、10MHz 以上频率电磁脉冲存在，所以其地线系统采用混合接地方式。采用粗线或母排进行地线布置，并使其能通过三倍于PCB 板的允许电流，以提高抗噪声性能；将同一功能电路的覆铜用粗导线或母排连在一起，以保证地线质量，降低噪音；使信号线和地线一一对应，保证每一根信号线都有一个单独的接地回路，这样公共阻抗的耦合将不存在，而且导线间的串扰也将减至最小，屏蔽电缆的屏蔽层接地。

7 结束语

电磁兼容性设计是一项综合性的应用技术，在产品工程应用中应注重理论与实践相结合，对理论中基本概念和公式进行分析与总结，对新材料、新器件、新工艺和新技术应进行跟踪了解，从中寻求解决实际工程中的问题的方法，使电磁兼容性设计做到有的放矢。另外，在产品设计初期就应该进行电磁兼容性方面的设计和考虑，尽量避免后期整改带来的不便，并在实践中不断地总结经验，提升产品电磁兼容性方面的设计水平。