車載電源的電磁兼容性（EMC）設計

王榮統,呂 浩,蕭 平,朱之貞,張 元,武振基,胡建明,梁山軍

（1.云南省計算機軟件技術開發研究中心，昆明，650051；2.總裝防化駐昆明地區軍代室，昆明,650000）

0 引言

車載電源是一種為特殊車輛上裝設備提供電源保障的設備，因其采用了電源轉換器作為交直流充電的主要功率器件，會產生多種類型的電磁干擾，干擾現象較復雜，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）設計方法進行了歸納和總結，以此來介紹電源類電子產品的電磁兼容設計方法和途徑。

1 明確設計的內容和目標

為了使車載電源的電磁兼容設計做到有的放矢，在設計初期就根據產品電磁特性指標的要求，了解電磁兼容特性項目的試驗及其測試方法，明確該產品電磁兼容設計的內容和目標，制定了EMC 設計方案。從確定干擾源、濾波處理、PCB 電路板設計、結構屏蔽設計、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換器，其內部采用功率型半導體器件來實現其電源間的轉換，使用時通常工作在開關狀態，頻率從幾十Hz 到幾十kHz,甚至更高；由功率半導體器件的開通和關斷形成的電壓、電流波形，其前后沿具有較高的瞬態變化率，同時還有伴隨寄生電流、電壓的產生，形成強度較大的波形毛刺，會形成不同類型的電磁干擾，同時這些功率半導體器件很容易受到外部電磁場干擾。通常電源轉換器在工作時出現的電磁干擾的起因來源于開關晶體管、高頻變壓器和輸出整理回路產生的高頻、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、共模和差模傳導干擾都會出現。此外車載電源的其它部分的控制電路均為小功率的數字電路，其影響比較小，因此可以確定電源轉換器是車載電源內部電磁干擾源。圖1 給出了電源轉換器的主電路部分，方便大家對電源轉換器產生電磁波進行分析。

3 濾波處理

設計之初，對電源轉換器進行電磁波輻射發射和電源線傳導掃描和測試，發現其峰值超過了電磁兼容指標極限值，對掃描的波形曲線的峰值、頻段進行分析，并通過對同一批次、同一信號的電源轉換器進行對比試驗，證實了干擾源確定的有效性，并擬定了諧波輻射、傳導抑制的對策。即，在電源轉換器的輸出端增加低通濾波器進行諧波輻射抑制，在車載電源整機電源輸入接口處進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、電源線和磁環繞制成共模電感，電源線之間套裝磁環形成對差模傳導干擾的抑制。并結合結構、布線工藝整機設計和處理，最終使車載電源順利地通過了嚴格的GJB151-97 中CE102、CS101、CS114、RE102、RS103 電磁兼容試驗。

4 結構屏蔽設計

車載電源是一款功率型設備，其內部有電源轉換器、二級管、繼電器等發熱器件，且組裝密度比較高，要求車載電源設備系統具有良好的散熱特性。但受使用環境和電磁兼容特性指標限制，不允許在箱體上開設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構設計的難點。在對電源轉換器進行了電磁波形掃描和分析后，發現電磁輻射發射波形幅值超標的頻率范圍為30MHz 到300MHz 之間，從而確定其波長范圍，取最長波長的1/200 為箱體通風孔孔徑參考尺寸，把通風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玻璃，在有機玻璃之間夾裝銅質絲網，并使絲網壓緊在箱體內壁上；箱體的結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電疲敝襯墊,所有板卡的地都匯集到底板上，確保整機內部具有較好的電氣連接特性。

5 PCB 板的電磁兼容性設計

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，在設計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，走線形成的環路會產生差模輻射，I/O 電纜會使內部的電磁波以共模方式輻射。從減少輻射干擾的角度出發，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射的天線功能，盡量使用短而粗均勻的走線方式；布線應盡量使信號線與回路線形成的電路環路面積最小，走線應盡量短而直；元器件的焊接應盡量采用機械自動焊接，提高焊接質量，降低人工成本。

6 接地設計

車載電源工作時其內部電路中具有1MHz 以下、1MHz 到10MHz 之間、10MHz 以上頻率電磁脈沖存在，所以其地線系統采用混合接地方式。采用粗線或母排進行地線布置，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線或母排連在一起，以保證地線質量，降低噪音；使信號線和地線一一對應，保證每一根信號線都有一個單獨的接地回路，這樣公共阻抗的耦合將不存在，而且導線間的串擾也將減至最小，屏蔽電纜的屏蔽層接地。

7 結束語

電磁兼容性設計是一項綜合性的應用技術，在產品工程應用中應注重理論與實踐相結合，對理論中基本概念和公式進行分析與總結，對新材料、新器件、新工藝和新技術應進行跟蹤了解，從中尋求解決實際工程中的問題的方法，使電磁兼容性設計做到有的放矢。另外，在產品設計初期就應該進行電磁兼容性方面的設計和考慮，盡量避免后期整改帶來的不便，并在實踐中不斷地總結經驗，提升產品電磁兼容性方面的設計水平。

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

[1] 楊士元.電磁屏蔽理論與實踐，國防工業出版社，2006.1，ISBN7-118-04078-9

[2] 郝曉東，喬恩明.電源系統電磁兼容設計與應用，店里出版社，2007.7 月，ISBN978-7-5083-5271-8

[3] 錢振宇，史建華.開關電源的電磁兼容性設計、測試和典型案例，電子工業出版社，2011.7,ISBN978-7-121-13894-2