瑞坤电子设备厂
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阅读：317发布时间：2011-03-22
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2011年01月06日 11:49 来源: 《磁性元件与电源》2011年1月刊 作者： 王水平，刘畅生，于建国
1 引言
屏蔽技术通常包含两层意思：一是把环境中的杂散电磁波阻挡在被屏蔽的用电系统的外面，以防止和避免这些杂散电磁波对该用电系统的干扰和破坏；二是把本用电系统内的振荡源或功率辐射源通过电路中的各个环节和各种途径向外辐射或传播的电磁波阻挡在本用电系统内部，以防止和避免传播和辐射出去而污染环境和干扰临近周围的其它用电系统。电源电路中的屏蔽技术，主要是屏蔽电源内部的振荡器和功率变换器所产生的高频电磁波，使它不要通过电源电路中的元器件、引线以及PCB等环节传播和辐射出去，从而污染环境和干扰临近周围的其它用电系统的正常使用。
2 软屏蔽技术
所谓软屏蔽技术就是电源电路的设计者们在进行电路设计时，采取有效的滤波技术，一方面将电源电路内部的高频电磁波对外部的传播和辐射滤除到zui小程度，使其不影响邻近周围的其它电子设备的正常工作，同时也不污染工频电网；另一方面将输人工频电网上的杂散电磁波滤除到zui小程度，使其不影响电源电路的正常工作。
（1） 输入端的滤波技术。通常人们采用如图1所示的双向滤波器电路加在开关稳压电源的工频输入端，只允许400Hz以下的低频信号通过，对于1kHz以上的高频信号具有40~100dB衰减量。实现了电源电路中的高频辐射不污染工频电网和工频电网上的杂散电磁波不会窜入开关稳压电源的软屏蔽作用。理想的双向滤波器对于高频分量或工频的谐波分量具有急剧地阻止作用，而对于400Hz以下的低频分量近似于一条短路线。在图1所示的电路中，电容C1、C2、C5和C6用以滤除从工频电网上进入电源或从电源窜人工频电网不对称的杂散干扰电压信号，电容C3和C4则用以滤除从工频电网上进入电源或从电源窜人工频电网对称的杂散干扰信号，而电感L用以抑制从工频电网上进入电源或从电源窜人工频电网的频率相同、相位相反的杂散干扰电流信号。另外，电容C1、C2和电容C5、C6的公共接地端应该与实验室或机房等的联合接地极（<1Ω）相连，电感在加工时应具有较小的分布电容，应均匀地绕制在圆环骨架上，铁芯应选用于骨架和频率相一致的铁钼合金材料。在实际应用中，为了使加工工艺简便，双向滤波器中的电感既可采用圆环状铁芯，也可采用C型铁芯来加工。滤波器中的所有电容也应采用高频特性较好的陶瓷电容或聚脂薄膜电容，其容量应根据所输入的电网频率来定，电容的连线应尽量的短，以减小引线电感。
在实际应用中，这种双向滤波器的滤波特性不是那么的理想，同时在频率继续上升时，特性就会继续地下落，这时滤波效果就会变差。因此，采用单级双向滤波器就不能够得到较好的滤波效果。为了弥补这一点，在实际应用中，对于一些要求较高的应用场合，人们就采用多级双向滤波器串联的方式，如图2所示。但是要求成本较低时，为了降低成本，在一般的开关稳压电源电路中，只使用一级LC线性滤波器是比较经济合算的，如图3所示。该电路的特点是每一个整流二极管上并接一滤波电容，这样一来就可以使每个滤波电容的耐压值只是图1所示双向滤波器电路中电容耐压值的1/2，虽然电容的数量增加了，但是实际总成本却降低了。
将电源电路中产生的高频辐射干扰信号从入口端就被堵塞住，这对防止和避免工频电网的干扰和污染是非常重要的。而将开关稳压电源从出口端朝外辐射和传播的高频干扰信号抑制和滤除掉，以防止和避免对邻近其它的电子设备的正常工作造成干扰和影响，也是开关稳压电源能否被推广应用的一个不可忽视的重要环节。
（2）输出端的滤波技术。一方面为了防止和减少开关稳压电源将内部的高频信号叠加到输出的直流电压上形成杂波噪声，从而影响负载电路系统的正常工作。另一方面还要防止负载电路系统中的高频信号窜入开关稳压电源影响其正常工作，因此就需要在输出端加入滤波电路。常用的滤波电路是由电容或电感或电容和电感混合组成的。图4所示的电路就是电感式、电容式和电容与电感混合式三种类型的滤波器电路。
图4（a）所示的电路是电感式滤波器电路。电感L通常是采用单根漆包线（漆包线的线径可根据输出电流的大小而定）绕制在Φ6×30的铁氧体磁棒上，匝数可在4~7匝之间选定。有时为了得到较好的滤波效果，还可以将磁棒改为同样材料的磁环。这种滤波电路的特点是所用元器件少、结构简单，并且对高频尖脉冲干扰信号具有较好的滤除和抑制效果。图4（b）所示的电路是电容式滤波器电路。电容C1一般应选择10μF的电解电容，耐压可根据输出电压的高低而定，主要是滤除输出电压上的低频波动信号。电容C2一般应选用0.01~0.1μF的高频和温度特性较稳定的陶瓷或聚酯薄膜电容，耐压同样要根据输出电压的高低而定，主要是滤除叠加在输出电压上的高频尖脉冲干扰信号。图4（c）所示的电路是电容与电感混合式滤波器电路。它由电感L和电容C1、C2组成。从电路形式上看，实际上就是图（a）和（b）加起来而组成的。电路结构虽然复杂一些，但是滤除和抑制噪声和干扰的效果要比它们好得多，所以它是实际应用中经常采用的滤波电路。
以上三种滤波电路虽然能够滤除和抑制低频和高频干扰信号，但是却对共模干扰噪声无能为力。为了滤除和抑制电源传输到负载系统或负载系统传输到电源的共模干扰噪声，就必须采用图5所示的滤波电路。该滤波电路是在以上三种滤波电路的基础上引进了一个共模滤波电感，共膜滤波电感中的L1和L2是在同一个磁环上分别采用漆包线各绕制7匝而成的。滤波器的输入端和输出端与前面已经讲过的双向滤波器电路*相同，这种具有共模电感的滤波器电路的等效阻抗可以表示为：
（1）
式中Z为滤波器电路的等效阻抗，R为滤波器电路的等效电阻，L为滤波器电路的等效电感，f为干扰噪声信号的频率。该关系式说明，干扰噪声信号的频率越高，共模电感滤波电路对其所呈现的阻抗就越大。因此，这种加入了共模电感的滤波电路，对高频干扰噪声信号，特别是尖峰干扰脉冲噪声具有较好的滤除和抑制作用。但是，由于这种滤波电路中采用了共模电感，并且这种电感是带有磁环的，所以不但具有电路结构复杂，加工难度大，而且还具有成本高的缺点。因此，这种滤波电路只适应于对屏蔽要求较为严格的应用场合。
（3）输出端配线技术。开关稳压电源在将能量供给负载系统的过程中，当引线长而且配线不合理时，线间所产生的寄生电容就会增加到不可忽视的程度，共模噪声信号就会通过这些寄生电容传播和导入到负载系统，使负载系统的正常工作受到影响，严重时就会使负载系统不能正常工作或损坏其中的一些元器件。
通过实际测量和实验证明，采用交扭线比采用平行线传输效果要好得多。图6给出了采用线间距离较大的平行线传输和采用线间距离较小的交扭线传输时，在负载端用示波器分别观察到的噪声信号波形。当采用1m长，并且线间的距离为5cm的平行线传输时，在负载端所观察到噪声电压信号的幅值为60mV；如改用1m长，并且线间的距离为1cm的交扭线传输时，在负载端所观察到噪声电压信号的幅值就降低为14mV。表1中列举了平行线和交扭线在线间距离不同时对杂波噪声信号的衰减量。从这些实验数据中不难看出，交扭线比平行线对杂波噪声信号的衰减要好得多。并且交扭得越紧，对杂波噪声信号衰减的效果就越好。当然，采用交扭线传输时，应该自始至终都均匀地交扭在一起，如果在中间有一部分线没有交扭，形成了一个环路，两线间包含了一定的面积，同样也会使负载端的杂波噪声信号增大。此外，在电源的输出端附近，采用交扭线进行传输并加上滤波电路时，则对杂波噪声信号的衰减效果就会更好。
表 1 平行线、交扭线和杂波噪声信号的关系
编号 线型 节距/cm 对杂波噪声信号的衰减量
比率 衰减量/dB
1 平行线 — 1：1 0
2 交扭线 10.10 14：1 23
3 交扭线 7.62 71：1 37
4 交扭线 5.08 112：1 41
5 交扭线 2.54 141:1 43
— — — — —
图7所示的电路分别表示了采用不同的交扭线传输，并且所加滤波器的位置不同时，对杂波噪声信号的衰减效果也不同。实验结果表明，采用图7（c）所示的传输方法，也就是将稳压电源输出端的+、-两根传输线直接交扭起来，再通过滤波器后传输给负载系统，就能得到对杂波噪声信号衰减较为满意的效果。这种传输方法既经济，效果又好，因此是实际中应用zui多的一种方法。
除了采用这些配线技术能对杂波噪声信号具有一定的衰减作用以外，地线的选择位置、连接方法、长短和粗细等都与杂波噪声信号的大小有着密切的关系。实践证明，地线一端接地要比两端接地的效果要好，接地点应选择在负载电路系统端，地线应尽量的短而粗。在有些不能采用交扭线的场合，若要使用平行线传输，则线间的距离应尽量的加大，以减小线间所形成的分布电容和寄生电容。
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