开关电源EMC设计中的线路板布局与屏蔽技术研究

范华勇1 殷亨银2 邱服家3

摘要：本文着重探讨了线路板布局优化的关键方面，包括元件放置、走线布线、接地层实施、信号隔离，并对开关电源EMC设计中的屏蔽技术进行了简要总结，包括外壳设计、EMI垫片和屏蔽罩、PCB覆铜层和接地层、屏蔽电缆和连接器。通过采用这些策略，设计人员可以减轻电磁干扰、增强 EMC 性能并确保电子系统的稳健运行。

关键词：开关电源EMC设计；线路板布局；屏蔽技术

引言：开关电源的高效运行会带来与电磁兼容性（EMC）相关的挑战。为了应对这些挑战，设计人员必须采用线路板布局优化的有效策略，正确实施屏蔽技术，最大限度地减少电磁干扰，增强信号完整性，创建强大且可靠的开关电源，满足现代电子系统的严格要求。

1、路板布局优化的关键方面

1.1元件放置

正确放置元件是在开关电源EMC设计中成功优化线路板布局的关键方面。主要的考虑因素包括：（1）热管理：功率晶体管、二极管和电感器等组件在运行过程中会产生热量。考虑散热路径和散热通孔，战略性地放置这些组件可以有效防止热问题并确保组件运行的可靠性[1]。（2）信号完整性：开关电源中的高速开关信号容易受到噪声和干扰的影响。将反馈电路和模拟控制电路等敏感元件放置在远离高电流走线和噪声元件的位置有助于最大限度地减少信号衰减并提高整体性能。（3）最大限度地减少串扰：相邻走线之间的串扰会导致信号失真和EMI。通过仔细布置元件和信号走线，并保持高速和低速信号之间的适当分离，设计人员可以减轻串扰效应并增强EMC性能。

1.2走线布线

在开关电源EMC设计中，正确的走线布线既能确保信号完整性，还能整体优化电源分配。主要的考虑因素包括：（1）长度匹配：在开关电源等高频电路中，保持一致的走线长度可以防止信号偏差，以最大限度地减少时序错误。差分信号对的布线长度应匹配，以确保平衡信号传播并减少电磁辐射。（2）阻抗控制：将走线阻抗与传输线的特性阻抗相匹配有助于最大限度地减少信号反射并提高信号完整性。受控阻抗布线和阻抗不连续性管理等技术的合理应用，能够在高速设计中始终保持信号质量，从而有效降低EMI。（3）接地：可以采用分离平面或多层PCB设计来分离模拟和数字接地平面，用于减少敏感电路之间的干扰。

1.3接地层实施

接地层作为所有电路节点的参考电位，为信号提供低阻抗返回路径。有效的接地层实施旨在减少接地反弹，以充分降低EMI，同时确保信号完整性。主要的考虑因素包括：（1）单点接地：将所有接地点连接到单个接地参考可以最大限度地减少接地环路并降低接地电位差的风险，接地电位差可能导致噪声耦合和信号失真。（2）电源层去耦：正确选择和放置去耦电容器可以更好地维持功率分布的稳定性，并且呈现更低的EMI。（3）接地层分离：在混合信号设计中，分离模拟和数字接地层有助于最大限度地减少敏感模拟电路和噪声数字组件之间的干扰。应仔细考虑接地连接的位置和布线，以避免接地环路并保持信号完整性。

1.4信号隔离

采用信号隔离技术能够减少不同功能块之间的噪声耦合，从而有效提高EMC性能。常见的隔离技术包括：（1）差分信号：以差分对形式传输信号有助于减轻共模噪声并提高抗噪能力。通过对信号进行差分编码并使用平衡传输线，设计人员可以实现稳健的通信并降低EMI。（2）隔离变压器：使用变压器隔离敏感电路有助于打破接地环路并在输入和输出信号之间提供电流隔离。隔离变压器通常用于电源设计中，以增强安全性、减少噪声耦合并提高EMC性能。（3）屏蔽：使用导电外壳或屏蔽材料屏蔽敏感组件或走线有助于减弱电磁干扰并防止噪声耦合。根据设计的具体要求，屏蔽可以应用于PCB级、外壳级或组件级。

2、开关电源EMC设计中的屏蔽技术

2.1外壳设计

外壳设计是抵御外部电磁干扰和遏制开关电源内部辐射的第一道防线。外壳设计的主要考虑因素包括：（1）材料选择：选择具有高导磁率和导电率的材料，如钢或铝，有助于衰减电磁场，防止外界干扰的渗透[2]。（2）密封：确保密封严密和外壳接缝正确接地，可最大限度地减少电磁泄漏并防止外部噪声源的进入。由导电弹性体或金属涂层织物制成的垫片通常用于提供有效的电磁密封。（3）通风：在外壳设计中需要平衡通风需求与电磁屏蔽要求。应策略性地放置和屏蔽通风口，以最大限度地减少EMI，同时保持足够的热管理。

2.2EMI垫片和屏蔽罩

EMI垫圈和屏蔽用于密封外壳接缝、连接器开口和其他潜在电磁泄漏点。主要考虑因素包括：（1）导电垫片：由导电弹性体或金属涂层织物制成的垫片可有效密封电磁泄漏，同时保持灵活性和对环境条件的适应能力。（2）屏蔽窗：由网状金属或导电玻璃等导电材料制成的透明屏蔽窗，可以目视检查内部组件，同时提供电磁屏蔽。（3）连接器屏蔽：可以在连接器周围放置金属屏蔽或外壳，以防止电磁泄漏并降低相邻组件或电缆的干扰风险。

2.3PCB覆铜层和接地层

利用PCB上的覆铜层和接地层有助于提供局部屏蔽并减少电磁场的传播。主要考虑因素包括：（1）覆铜：在敏感元件或高频走线周围覆铜，可创建屏蔽环境，有助于减轻电磁干扰并提高信号完整性。（2）接地层：在PCB内层使用专用接地层，为信号提供低阻抗返回路径，减少接地环路，最大限度地减少噪声耦合并增强EMC性能。（3）信号隔离：通过使用专用接地层分离不同PCB层上的模拟和数字信号，设计人员可以最大限度地减少敏感电路之间的干扰并提高整体系统性能。

2.4屏蔽电缆和连接器

使用屏蔽电缆和连接器将会防止电磁干扰进入或离开开关电源。主要考虑因素包括：（1）电缆屏蔽：带有导电编织层或箔屏蔽的屏蔽电缆可有效防止外部电磁干扰，并最大限度地减少内部信号的发射。（2）连接器设计：带有金属外壳或外壳的屏蔽连接器有助于保持电缆和开关电源之间屏蔽的连续性，从而最大限度地降低干扰进入或退出的风险。（3）接地：屏蔽电缆和连接器的正确接地能够确保有效屏蔽并最大限度地减少接地环路。将电缆屏蔽层连接到机箱接地或专用接地点有助于为EMI电流提供低阻抗路径。

3、布局和屏蔽的成功示例

3.1高频电源转换器

某高频电源转换器制造商在其产品中面临与电磁干扰（EMI）相关的挑战。通过实施优化的布局技术，包括正确的元件布局和走线布线考虑因素，他们能够最大限度地减少EMI辐射并符合EMC标准[3]。此外，通过仔细集成布局和屏蔽技术，制造商成功解决了EMI问题，并向市场提供了可靠的高频电源转换器。

3.2汽车电子模块

某汽车电子模块制造商在其产品中遇到了与EMC合规性相关的挑战。通过采用地平面分区和信号隔离等布局技术，他们能够最大限度地减少敏感电路之间的噪声耦合和干扰。通过采用屏蔽技术，包括屏蔽电缆和连接器，他们能够及时防止来自外部源的电磁干扰。通过布局和屏蔽技术的协同集成，制造商还能够在具有挑战性的运行环境中运行强大的汽车电子模块。

结束语

总而言之，应在开关电源EMC设计中进行线路板的布局优化，实施有效的优化策略，采用有效的屏蔽技术，充分优化开关电源的性能，向市场提供安全可靠的产品，使开关电源在各种应用环境中得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]蒋云富，卢伟斌，王嘉义.开关电源传导EMI仿真与滤波电路设计[J].船电技术，2024，44(03)：65-69.

[2]王文胜.高频开关电源的数字化控制电路的设计[J].电子元器件与信息技术，2024，8(01)：42-45.

[3]陈洪东，林崚霄.智能开关电源的设计[J].家电维修，2023，(09)：26-29.