一种提高大功率器件及大功率器件模组电磁兼容性能的设计方法

文档序号:8144333
专利名称:一种提高大功率器件及大功率器件模组电磁兼容性能的设计方法
技术领域
本发明涉及集成电路和电路板设计领域,特别是一种提高大功率器件或者大功 率器件模组电磁兼容性能的设计方法。电磁兼容性能的提高是通过构造一对对互相抵消 的子回路实现的子回路可以将自身的电磁辐射互相抵消,而且在外界电磁场干扰时, 每一对子回路产生的感应电流大小相等,方向相反,降低了外界电磁场干扰的强度。
背景技术
当前的EMC设计,在PCB板方面,主要通过地线以及信号线的布线规则进行保 证,如设计单独的地线网络、大信号与小信号分开等;在功能复杂的电路板设计中,先 按照功能对电路板进行分区,在分区之间采用走线连接,避免各个不同功能区对其他分 区的电磁干扰降低,同时不受其他分区的电磁干扰影响,保证正常工作。在以上设计不 能够满足要求时,则采用金属屏蔽的方式,如图1所示。1为金属壳体,与固定的电位连接,一般与地线连接;2为提供产品性能的多块 PCB,即电磁辐射源;3为金属壳体上开的孔,供散热等用途应用。目前的方式,对于一般的通信或者家用电器电路板使用,而且方法简单,成本 增加不多;但是在不能够使用金属材料进行屏蔽的场合,此方法不适用。如照明用的灯 具,特别是大功率灯具以及在舰船上使用的灯具,由于需要将灯泡裸露在金属壳体外, 而灯泡的灯丝上的电流很大,而且大功率等灯泡的灯丝较长,造成的电磁干扰就很大; 当前使用的LED灯具,由于LED与供电的铝基板同时裸露在外,造成的电磁干扰无法屏 蔽。传统方法的缺点为
使用屏蔽材料,增加了成本。在某些场合下,不适用,如灯具。在特种场所,产品破损造成的电磁干扰对其他部件产生不良的干扰。需要将金属壳体与地线牢固而且长期良好地连接。开孔部位的最大长度小于电磁波长的5%。

发明内容
鉴于上述方法的缺陷,本发明通过针对每一个电流回路构造本身互相抵消的多 个电磁场的方法,从而克服上述方法的缺陷。本发明是通过以下方法实现的。识别PCB上内一个电流回路;
在每一个电流回路上,构造电磁场方向相反的子回路;
计算、测量或者近似的方法,获得器件的等效电流中分线;
计算互相抵消的电磁场子回路的面积,保证互相抵消的电磁场子回路的面积相等;按照设计的子回 路放置器件; 方法使用于整个电路板以及多个电路板。如图2所示为改进的大功率器件的驱动走线。包括3个部分供电电源模组、 走线和大功率器件。供电模组认为是保持电磁静默的组件,其电磁干扰已经在设计范围内。大功率 器件是需要裸露在外工作,无法进行金属材料的电磁屏蔽。连接关系为供电电源模组从Al端口输出电流,经过A2、A3、A4、A5、 A6、A7到达大功率器件的正输入端,电流流经大功率器件,对大功率器件进行驱动,电 压降低,从B7端口流出,经过B6、B5、B4、B3、B2,流回供电电源模组端口 Bi。其 中Si、S2为电流回路两个虚拟的交叉点,实际上两条走线在电路板的不同层面上;S3为 计算回路面积的虚拟的交叉点,将线段B3B4延长后与线段A4A5的交点。正常工作时,大功率器件内部的电流路径假定为从端口 A7到端口 B7的一条直 线,则由A6、A7、B7、B6、S2构成一个电流回路,其引发的磁场方向迎面而来;B4、 B5、S2、A5、S3构成另外一个电流回路,其引发的磁场方向远离而去。由于电信号的传 播速度很快,在两个回路中的电流大小相等,引发的电磁场的大小与回路的面积有关, 当两个回路的面积相等时,两个回路产生的电磁场互相抵消。在电流路径上,可以制造多个成对的电流回路。Al、A2、Si、B2、Bl构成的 电流回路,其引发的磁场方向迎面而来;B3、B4、S3、A4、A3构成的电流回路,其引 发的磁场方向远离而去。当两个回路的面积大小相等时,两个回路产生的电磁场互相抵 消。当电路受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。本发明的主要优点是
大部分电磁场互相抵消,特别是低频大电流的情况下,无需金属屏蔽,就可以达到 EMC的要求。虽然器件内部的等效电流中分线不可能精确获得,器件在放置时,通过放置的 方向和角度,可以抵消等效电流中分线误差造成的电磁场不能够抵消的问题。在不能够使用金属屏蔽的场合下,如照明灯具的设计上,可以应用此方法;电 路板即使裸露在外,其电磁兼容性能基本保持不变。无需增加成本,不需要改变电路以及产品结构。当电路板的尺寸远小于工作波长时,此方法基本适用。为了提高性能,可以增加多个成对的电流回路,缩小每一个电流回路的面积即可。适用于多种材料的PCB板。


图1:现在的电磁兼容(EMC)结构示意图
图2 针对单个大功率器件构造的电磁抵消回路_多层PCB结构;图3 针对单个大功率器件构造的电磁抵消回路_单层PCB结构; 图4 针对偶数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路_多层PCB结构; 图5:针对偶数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路_单层PCB结构; 图6 针对奇数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路_多层PCB结构; 图7 针对奇数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路_单层PCB结构; 图8 针对多个大功率器件串联构造的电磁抵消回路_多层PCB结构; 图9:针对多个大功率器件串联构造的电磁抵消回路_单层PCB结构; 图IOA :针对多输入多输出大功率器件串联构造的电磁抵消回路; 图IOB 针对多输入多输出大功率器件串联构造的电磁抵消回路-单个串联器件的工 作原理示意图11:针对多输入共 地线大功率器件构造的电磁抵消回路; 图12 在大功率LED照明和背光源中的应用示例。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。如图3所示单层PCb结构上针对单个大功率器件构造的电磁抵消回路。工作原 理与图2电路相同。正常工作时,大功率器件内部的电流路径假定为从端口 A7到端口 B7的一条直线,则由A6、A7、B7、B6、S2构成一个电流回路,其引发的磁场方向迎面 而来;B4、B5、S2、A5、S3构成另外一个电流回路,其引发的磁场方向远离而去。由 于电信号的传播速度很快,在两个回路中的电流大小相等,引发的电磁场的大小与回路 的面积有关,当两个回路的面积相等时,两个回路产生的电磁场互相抵消。在电流路径上,可以制造多个成对的电流回路。Al、A2、Si、B2、Bl构成的 电流回路,其引发的磁场方向迎面而来;B3、B4、S3、A4、A3构成的电流回路,其引 发的磁场方向远离而去。当两个回路的面积大小相等时,两个回路产生的电磁场互相抵 消。当电路受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。由于在单层电路板上,虚拟的交叉点Sl和S2必须使用0欧姆电阻或者固定形状 的导线Rl对其中一条走线进行桥接,如图3中对走线A2A3进行桥接,使得走线B2B3 与走线A2A3不在一个平面上。如图4所示多层PCB结构的针对偶数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路。 连接关系为电流从供电电源模组Bl输出,经过B2、B3、B4到达大功率器件1的输入 端Pl+,产生电压降到达大功率器件1的输出端P1-,驱动大功率器件1工作;Pl-与大 功率器件2的输入端P2+连接,电流经过大功率器件2,产生电压降,从大功率器件的输 出端P2-输出,驱动大功率器件2; P2-与大功率器件3的输入端P3+连接,电流经过大 功率器件3,产生电压降,从大功率器件的输出端P3-输出,驱动大功率器件3; P3-与 大功率器件4的输入端P4+连接,电流经过大功率器件4,产生电压降,从大功率器件的 输出端P4-输出,驱动大功率器件4。
大功 率器件4输出的电流,经过S4、S3、S2、Si、S5、A4、A3、S6、A2、
Al回到供电电源模组。其中S4、S3、S2、Sl为回流电流路径与各个大功率器件的电 流中分线的虚拟交点。S5为线段B3B4延长线与线段A4S1的虚拟交点,S6为电流路径 B2B3与A3A2的虚拟交点。虚拟交点是为了计算回路包围的面积构造的交叉点,大功率器件的电流中分线 是大功率器件工作时,电流在内部流过的路径。工作原理为由两个相邻器件大功率器件3和大功率器件4包围的电流回路 S4、S3、P3-、P4+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件3和大功率器件2包围 的电流回路P2-、P3+、S3、S2,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S4、S3、 P3-、P4+和P2-、P3+、S3、S2的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相 反,互相抵消。由两个相邻器件大功率器件2和大功率器件1包围的电流回路S2、Si、P1-、 P2+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件1和构造的走线电流回路B4、Pl+, Si、S5,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相抵消。电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4引发的磁场方向迎面而来;电流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引发的磁场方向远离而去;两个电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互 相抵消。当电路受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。如图5所示单层PCB结构的针对偶数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路。 连接关系为电流从供电电源模组Bl输出,经过B2、B3、B4到达大功率器件1的输入 端Pl+,产生电压降到达大功率器件1的输出端P1-,驱动大功率器件1工作;Pl-与大 功率器件2的输入端P2+连接,电流经过大功率器件2,产生电压降,从大功率器件的输 出端P2-输出,驱动大功率器件2; P2-与大功率器件3的输入端P3+连接,电流经过大 功率器件3,产生电压降,从大功率器件的输出端P3-输出,驱动大功率器件3; P3-与 大功率器件4的输入端P4+连接,电流经过大功率器件4,产生电压降,从大功率器件的 输出端P4-输出,驱动大功率器件4。大功率器件4输出的电流,经过S4、S3、S2、Si、S5、A4、A3、S6、A2、
Al回到供电电源模组。其中S4、S3、S2、Sl为回流电流路径与各个大功率器件的电 流中分线的虚拟交点。S5为线段B3B4延长线与线段A4S1的虚拟交点,S6为电流路径 B2B3与A3A2的虚拟交点。虚拟交点是为了计算回路包围的面积构造的交叉点,大功率器件的电流中分线 是大功率器件工作时,电流在内部流过的路径。工作原理为由两个相邻器件大功率器件3和大功率器件4包围的电流回路 S4、S3、P3-、P4+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件3和大功率器件2包围 的电流回路P2-、P3+、S3、S2,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S4、S3、P3-、P4+和P2-、P3+、S3、S2的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相 反,互相抵消。由两个相邻器件大功率器件2和大功率器件1包围的电流回路S2、Si、P1-、 P2+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件1和构造的走线电流回路B4、Pl+, Si、S5,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相抵消。电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4引发的磁场方向迎面而来;电流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引发的磁场方向远离而去;两个电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互 相抵消。当电路受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。由于在单层电路板上,虚拟的交叉点S6必须使用0欧姆电阻或者固定形状的导 线Rl对其中一条走线进行桥接,如图5中对走线A2A3进行桥接,使得走线B2B3与走 线A2A3不在一个平面上。如图6所示多层PCB结构的针对奇数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路。 连接关系为电流从供电电源模组Bl输出,经过B2、B3、B4到达大功率器件1的输入 端Pl+,产生电压降到达大功率器件1的输出端P1-,驱动大功率器件1工作;Pl-与大 功率器件2的输入端P2+连接,电流经过大功率器件2,产生电压降,从大功率器件的输 出端P2-输出,驱动大功率器件2; P2-与大功率器件3的输入端P3+连接,电流经过大 功率器件3,产生电压降,从大功率器件的输出端P3-输出,驱动大功率器件3; P3-与 大功率器件4的输入端P4+连接,电流经过大功率器件4,产生电压降,从大功率器件的 输出端P4-输出,驱动大功率器件4; P4-与大功率器件5的输入端P5+连接,电流经过 大功率器件5,产生电压降,从大功率器件的输出端P5-输出,驱动大功率器件5。大功率器件5输出的电流,经过V6、V7、S5、S4、S3、S2、Si、S5、A4、 A3、S6、A2、Al回到供电电源模组。其中S5、S4、S3、S2、Sl为回流电流路径与各 个大功率器件的电流中分线的虚拟交点。S6为线段B3B4延长线与线段A4S1的虚拟交 点,S7为电流路径B2B3与A3A2的虚拟交点。工作原理为由两个相邻器件大功率器件4和大功率器件5包围的电流回路 P4-、P5+、S5、S4,其引发的磁场方向迎面而来;由大功率器件5和构造走线包围的电 流回路P5-、V6、V7、S5,其引发的磁场方向远离而去。两个电流回路P4-、P5+、S5、 S4和P5-、V6、V7、S5的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相 抵消。由两个相邻 器件大功率器件3和大功率器件4包围的电流回路S4、S3、P3-、 P4+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件3和大功率器件2包围的电流回路 P2-、P3+、S3、S2,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S4、S3、P3-、P4+ 和P2-、P3+、S3、S2的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相抵 消。
由两个相邻器件大功率器件2和大功率器件1包围的电流回路S2、Si、PI-、 P2+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件1和构造的走线电流回路B4、Pl+, Si、S5,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相抵消。电流回 路S5、A4、A3、S6、B3、B4引发的磁场方向迎面而来;电流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引发的磁场方向远离而去;两个电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互 相抵消。当电路受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。如图7所示单层PCB结构的针对奇数个大功率器件串联构造的电磁抵消回路。 连接关系为电流从供电电源模组Bl输出,经过B2、B3、B4到达大功率器件1的输入 端Pl+,产生电压降到达大功率器件1的输出端P1-,驱动大功率器件1工作;Pl-与大 功率器件2的输入端P2+连接,电流经过大功率器件2,产生电压降,从大功率器件的输 出端P2-输出,驱动大功率器件2; P2-与大功率器件3的输入端P3+连接,电流经过大 功率器件3,产生电压降,从大功率器件的输出端P3-输出,驱动大功率器件3; P3-与 大功率器件4的输入端P4+连接,电流经过大功率器件4,产生电压降,从大功率器件的 输出端P4-输出,驱动大功率器件4; P4-与大功率器件5的输入端P5+连接,电流经过 大功率器件5,产生电压降,从大功率器件的输出端P5-输出,驱动大功率器件5。大功率器件5输出的电流,经过V6、V7、S5、S4、S3、S2、Si、S5、A4、 A3、S6、A2、Al回到供电电源模组。其中S5、S4、S3、S2、Sl为回流电流路径与各 个大功率器件的电流中分线的虚拟交点。S6为线段B3B4延长线与线段A4S1的虚拟交 点,S7为电流路径B2B3与A3A2的虚拟交点。工作原理为由两个相邻器件大功率器件4和大功率器件5包围的电流回路 P4-、P5+、S5、S4,其引发的磁场方向迎面而来;由大功率器件5和构造走线包围的电 流回路P5-、V6、V7、S5,其引发的磁场方向远离而去。两个电流回路P4-、P5+、S5、 S4和P5-、V6、V7、S5的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相 抵消。由两个相邻器件大功率器件3和大功率器件4包围的电流回路S4、S3、P3-、 P4+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件3和大功率器件2包围的电流回路 P2-、P3+、S3、S2,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S4、S3、P3-、P4+ 和P2-、P3+、S3、S2的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相抵 消。由两个相邻器件大功率器件2和大功率器件1包围的电流回路S2、Si、P1-、 P2+,其引发的磁场方向远离而去;由大功率器件1和构造的走线电流回路B4、Pl+, Si、S5,其引发的磁场方向迎面而来。两个电流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互相抵消。电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4引发的磁场方向迎面而来;电流回路Bi、B2、S6、A2、Al引发的 磁场方向远离而去;两个电流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面积相等,电流相同,引发的磁场大小相同,方向相反,互 相抵消。当电路受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。由于在单层电路板上,虚拟的交叉点S7必须使用0欧姆电阻或者固定形状的导 线Rl对其中一条走线进行桥接,如图7中对走线A2A3进行桥接,使得走线B2B3与走 线A2A3不在一个平面上。如图8所示多层PCB结构的多个大功率器件串联构造的电磁抵消回路,大功率 器件可以是偶数个,也可以是奇数个。连接关系为电流从供电电源模组Bl输出,经 过B2、B3、B4到达大功率器件1的输入端Pl+,产生电压降到达大功率器件1的输出 端P1-,驱动大功率器件1工作;Pl-经过B5、B6与大功率器件2的输入端P2+连接, 电流经过大功率器件2,产生电压降,从大功率器件的输出端P2-输出,驱动大功率器件 2 ; P2-经过B7、B8与大功率器件3的输入端P3+连接,电流经过大功率器件3,产生电 压降,从大功率器件的输出端P3-输出,驱动大功率器件3; P3-经过B9、BlO与大功 率器件4的输入端P4+连接,电流经过大功率器件4,产生电压降,从大功率器件的输出 端P4-输出,驱动大功率器件4。大功率器件4 输出的电流,经过 Bll、S8、A20、A19、S7、A18、A17、S6、 A16、A15、S5、A14、A13、S4、A12、All、S3、A10、A9、S2、A8、A7、Si、 A6、A5、S10、A4、A3、S9、A2、Al回到供电电源模组。其中S7、S5、S3、Sl为回
流电流路径与各个大功率器件的电流中分线的虚拟交点。S8为构造的电流回路的节点, SlO为起点B4,与S1A6平行的线段在线段A4A5上的交点,延长线与线段A4S1的虚拟 交点,S7为电流路径B2B3与A3A2的虚拟交点。S6为线段A16A17和线段B9B10的 虚拟交点,S4为A12A13与线段B7B8的虚拟交点,S4为A8A9与线段B5B6的虚拟交 点,S9为A2A3与线段B2B3的虚拟交点。工作原理为围绕大功率器件4,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回 路P4-、BlU S8、A20、A19、S7引发的磁场方向远离而去,电流回路S6、BIO、P4+、 S7、A18、A17引发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电 流一样,引发的磁场互相抵消。围绕大功率器件3,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回路P3-、B9、 S6、A16、A15、S5引发的磁场方向远离而去,电流回路S4、B8、P3+、S5、A14、A13 引发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的 磁场互相抵消。围绕大功率器件2,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回路P2-、B7、 S4、A12、All、S3引发的磁场方向远离而去,电流回路S2、B6、P2+、S3、A10、A9 引发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的 磁场互相抵消。围绕大功率器件1,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回路PI-、B5、S2、A8、A7、Sl引发的磁场方向远离而去,电流回路S10、B4、Pl+, Si、A6、A5弓丨
发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的磁 场互相抵消。单独构造的走线组成一对互相抵消的电流回路。电流回路Bi、B2、S9、A2、 Al引发的磁场方向远离而去,电流回路S9、B3、B4、S10、A4、A3引发的磁场方向迎 面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的磁场互相抵消。如图9所示单层PCB结构的多个大功率器件串联构造的电磁抵消回路,大功率 器件可以是偶数个,也可以是奇数个。连接关系为电流从供电电源模组Bl输出,经 过B2、B3、B4到达大功率器件1的输入端Pl+,产生电压降到达大功率器件1的输出 端P1-,驱动大功率器件1工作;Pl-经过B5、B6与大功率器件2的输入端P2+连接, 电流经过大功率器件2,产生电压降,从大功率器件的输出端P2-输出,驱动大功率器件 2; P2-经过B7、B8与大功率器件3的输入端P3+连接,电流经过大功率器件3,产生电 压降,从大功率器件的输出端P3-输出,驱动大功率器件3; P3-经过B9、BlO与大功 率器件4的输入端P4+连接,电流经过大功率器件4,产生电压降,从大功率器件的输出 端P4-输出,驱动大功率器件4。大功率器件4 输出的电流,经过 Bll、S8、A20、A19、S7、A18、A17、S6、 A16、A15、S5、A14、A13、S4、A12、All、S3、A10、A9、S2、A8、A7、Si、 A6、A5、S10、A4、A3、S9、A2、Al回到供电电源模组。其中S7、S5、S3、Sl为回
流电流路径与各个大功率器件的电流中分线的虚拟交点。S8为构造的电流回路的节点, SlO为起点B4,与S1A6平行的线段在线段A4A5上的交点,延长线与线段A4S1的虚拟 交点,S7为电流路径B2B3与A3A2的虚拟交点。S6为线段A16A17和线段B9B10的 虚拟交点,S4为A12A13与线段B7B8的虚拟交点,S4为A8A9与线段B5B6的虚拟交 点,S9为A2A3与线段B2B3的虚拟交点。工作原理为围绕大功率器件4,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回 路P4-、BlU S8、A20、A19、S7引发的磁场方向远离而去,电流回路S6、BIO、P4+、 S7、A18、A17引发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电 流一样,引发的磁场互相抵消。围绕大功率器件3,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回路P3-、B9、 S6、A16、A15、S5引发的磁场方向远离而去,电流回路S4、B8、P3+、S5、A14、A13 引发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的 磁场互相抵消。围绕大功率器件2,单独构成一对互相抵消的电流回路。电流回路P2-、B7、 S4、A12、All、S3引发的磁场方向远离而去,电流回路S2、B6、P2+、S3、A10、A9 引发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的 磁场互相抵消。围绕大功率器件1,单独构成一对互相 抵消的电流回路。电流回路PI-、B5、 S2、A8、A7、Sl引发的磁场方向远离而去,电流回路S10、B4、Pl+, Si、A6、A5弓丨 发的磁场方向迎面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的磁 场互相抵消。
单独构造的走线组成一对互相抵消的电流回路。电流回路Bi、B2、S9、A2、 Al引发的磁场方向远离而去,电流回路S9、B3、B4、S10、A4、A3引发的磁场方向迎 面而来;两个电流回路面积大小相等,形状相同,电流一样,引发的磁场互相抵消。当电路 受到外界电磁场干扰时,如果在一个回路上产生一个感应电流,则在对 应的回路上产生一个大小相等,方向相反的感应电流,从而感应电流互相抵消,不对大 功率器件的工作造成影响。由于在单层电路板上,虚拟的交叉点S9必须使用0欧姆电阻或者固定形状的导 线Rl对其中一条走线进行桥接,如图9中对走线A2A3进行桥接,使得走线B2B3与走 线A2A3不在一个平面上;虚拟的交叉点S2必须使用0欧姆电阻或者固定形状的导线R2 对其中一条走线进行桥接,如图9中对走线B5B6进行桥接,使得走线B5B6与走线A8A9 不在一个平面上;虚拟的交叉点S4必须使用0欧姆电阻或者固定形状的导线R3对其中 一条走线进行桥接,如图9中对走线B7B8进行桥接,使得走线B7B8与走线A12A13不 在一个平面上;虚拟的交叉点S6必须使用0欧姆电阻或者固定形状的导线R4对其中一 条走线进行桥接,如图9中对走线B9B10进行桥接,使得走线B9B10与走线A16A17不 在一个平面上。如图IOA所示,针对多输入多输出大功率器件串联构造的电磁抵消回路。大功 率器件模组1由三个器件封装在一起构成端口为PlR+和PlR-的器件R、端口为PlG+ 和PlG-的器件G、端口为PlB+和PlB-的器件B。连接关系为供电电源模组电流从El端口输出,与大功率器件模组1中的器件 B端口 PlB+连接,经过大功率器件模组1中器件B产生压降,从端口 PlB-离开,驱动 大功率器件模组1中器件B工作;PlB-与P2B+连接,电流经过大功率器件模组2中器件 B产生压降,从端口 P2B-离开,驱动大功率器件模组2中器件B工作;P2B-与P3B+连 接,电流经过大功率器件模组3中器件B产生压降,从端口 P3B-离开,驱动大功率器件 模组3中器件B工作;P3B-与P4B+连接,电流经过大功率器件模组4中器件B产生压 降,从端口 P4B-离开,驱动大功率器件模组4中器件B工作;电流离开端口 P4B-后, 经过设定的电流路径返回供电电源模组端口 F1。供电电源模组电流从Cl端口输出,与大功率器件模组1中的器件G端口 PlG+ 连接,经过大功率器件模组1中器件G产生压降,从端口 PlG-离开,驱动大功率器件 模组1中器件G工作;PlG-与P2G+连接,电流经过大功率器件模组2中器件G产生压 降,从端口 P2G-离开,驱动大功率器件模组2中器件G工作;P2G-与P3G+连接,电 流经过大功率器件模组3中器件G产生压降,从端口 P3G-离开,驱动大功率器件模组3 中器件G工作;P3G-与P4G+连接,电流经过大功率器件模组4中器件G产生压降,从 端口 P4G-离开,驱动大功率器件模组4中器件G工作;电流离开端口 P4G-后,经过设 定的电流路径返回供电电源模组端口 D1。大功率器件模组中器件R的连接关系,通过图IOB进行更加细致的描述供电 电源模组电流从Al端口输出,经过A2、A3、A4、A5、A6与大功率器件模组1中的器 件R端口 PlR+连接,经过大功率器件模组1中器件R产生压降,从端口 PlR-离开,驱 动大功率器件模组1中器件B工作;PlR-经过A7、A8与P2R+连接,电流经过大功率器 件模组2中器件R产生压降,从端口 P2R-离开,驱动大功率器件模组2中器件R工作;P2R-经过A9、AlO与P3R+连接,电流经过大功率器件模组3中器件R产生压降,从端 口 P3R-离开,驱动大功率器件模组3中器件R工作;P3R-经过All、A12与P4B+连 接,电流经过大功率器件模组4中器件R产生压降,从端口 P4R-离开,驱动大功率器件 模组4中器件R工作;电流离开端口 P4R-后,经过SR4、SR3、SR2、SRU B4、B3、 B2设定的电流路径返回供电电源模组端口 Bi。SR4为大功率器件模组4中器件R的电流中分线与设定的回路电流走线的交点, SR3为大功率器件模组3中器件R的电流中分线与设定的回路电流走线的交点,SR2为大 功率器件模组2中器件R的电流中分线与设定的回路电流走线的交点,SRl为大功率器 件模组1中器件R的电流中分线与设定的回路电流走线的交点;Sl为线段A2A3与线段 B2B3的虚拟交点,仅为计算回路的面积而定义的。大功率器件模组4中的器件R与大功率器件模组3中的器件R构成的电流回路 P3R-、All、A12、P4R+、SR4、SR3,其引发的磁场方向迎面而来;大功率器件模组 3中的器件R与大功率器件模组2中的器件R构成的电流回路SR2、P2R+、A9、A10、 P3R+、SR3,其引发的磁场方向远离而去。两个电流回路中电流大小相等,面积相同, 产生的磁场大小相等,方向相反,互相抵消。
大功率器件模组1中的器件R与大功率器件模组2中的器件R构成的电流回路 PlR-> A7、A8、P2R+、SR2、SRl,其引发的磁场方向迎面而来;大功率器件模组1中 的器件R与设定的走线构成的电流回路B4、A4、A5、A6、PlR+, SRl,其引发的磁场 方向远离而去。两个电流回路中电流大小相等,面积相同,产生的磁场大小相等,方向 相反,互相抵消。外部构造的走线有2个电流回路电流回路Si、B3、B4、A4、A3,其引发的 磁场方向远离而去;电流回路Al、A2、Si、B2、Bi,其引发的磁场方向迎面而来。两 个电流回路中电流大小相等,面积相同,产生的磁场大小相等,方向相反,互相抵消。如图11所示,为多层PCB结构针对多输入共地线大功率器件构造的电磁抵消回 路。大功率器件有3个输入端PR+、PG+、PB+和一个共地输出端PGND,是将三个大 功率器件器件R、器件G、器件B封装在一起,输入采用独立的端口,输出采用共地线 结构的模组。连接关系如下
电流从供电电源模组端口 Al输出,经过A2、A3、A4、PR+,进入大功率器件模组 中的器件R,产生电压降,驱动器件R,从A5(PGND)流出,经过A6、A7,返回供电 电源模组端口 A8;电流从供电电源模组端口 Bl输出,经过B2、B3、B4、PG+,进入 大功率器件模组中的器件G,产生电压降,驱动器件G,从B5(PGND)流出,经过A6、 A7,返回供电电源模组端口 A8 ;电流从供电电源模组端口 Cl输出,经过C2、C3、C4、 PB+,进入大功率器件模组中的器件B,产生电压降,驱动器件B,从C5(PGND)流出, 经过A6、A7,返回供电电源模组端口 A8。A5为大功率器件模组中器件R的电流中分线与PGND输出端口线的交点,B5为 大功率器件模组中器件G的电流中分线与PGND输出端口线的交点,C5为大功率器件模 组中器件B的电流中分线与PGND输出端口线的交点。Sl为线段C2C3与线段A6A7的虚拟交点,S2为线段B2B3与线段A6A7的虚拟交点,S3为线段A2A3与线段A6A7的虚拟交点,仅作为计算电流回路的面积使用; 工作原理如下电流回路S3、A3、A4、PR+、A5、A6引发的磁场方向远离而去, 电流回路Al、A2、S3、A7、A8引发的电磁场方向迎面而来,两个电流回路的面积相 等,电流大小相同,产生的磁场大小相同,方向相反,互相抵消;电流回路S2、B3、 B4、PG+> B5、B6引发的磁场方向远离而去,电流回路Bi、B2、S2、A7、A8引发 的电磁场方向迎面而来,两个电流回路的面积相等,电流大小相同,产生的磁场大小相 同,方向相反,互相抵消;电流回路Si、C3、C4、PB+, C5、C6弓丨发的磁场方向远离 而去,电流回路Cl、C2、Si、A7、A8引发的电磁场方向迎面而来,两个电流回路的面 积相等,电流大小相同,产生的磁场大小相同,方向相反,互相抵消;
如图12所示为在大功率LED 照明中的应用示例。参照标准,100mA, 50MHz的 lcm*lcm的电流环,其电磁辐射将不满足FCC B限值要求。目前的LED路灯,在功率为 250W,输出电压为36V时,输出的电流为7A,以纹波5%计算,则脉动电流为350mA; 在路灯中,电流回路的面积一般为50cm*40cm,工作频率在100ΚΗζ_1ΜΗΖ,此时的电 磁兼容将成为设计中的难点,而本发明可以解决这一问题。整个电路包括3个并联的LED串,每一个LED串由6个串联的LED构成;在每 一个LED串内,有相邻的两个LED构成互相抵消的一对电流回路,从而提高电路的电磁 兼容性能;与驱动板连接的走线,横向和纵向各自构造一个磁场互相抵消的电流回路; 由于使用单层布线的铝基板,因此采用0欧姆电阻对线路进行桥接。在液晶电视动态LED背光源中,使用的LED个数较多(100个左右),同 时液晶电视尺寸大,目前的畅销产品一般大于37英寸,则电流回路的面积一般大于 100Cm*75Cm;同时,动态背光源中的电流,是全量程的动态变化,0-4A,即脉动电流 为4A,而频率根据动态背光源的要求,一般在50KHZ-10MHZ,此时的电磁兼容也是一 个设计的难点。本发明对交流供电的设备也可以使用。
权利要求
1.一种有效提高大功率器件电磁兼容(EMC)的设计方法,包括4个部分单个大 功率器件的PCB模块、多个大功率器件串联的PCB模块、由多个输入输出端口器件串联 构成的PCB模块、输入或者输出有一端共用构成的PCB模块;单个大功率器件的PCB模块根据电流的方向,整个回路在PCB上设计为偶数个可以 互相抵消的电磁场子回路,从而降低本身的电磁辐射,有效提高对外界电磁干扰的抵抗 能力;多个大功率器件串联的PCB模块,每一个器件自身构造一对互相抵消的电磁场,即 将器件放置在构造的2个互相抵消的电磁场子回路之间;或者与临近器件构成一对互相 抵消的电磁场,即2个器件分别放置在互相抵消的电磁场子回路上;由多个输入输出端口器件串联构成的PCB模块,输入输出独立运作的,可以将每一 路看作单独的器件,构造自己互相抵消的电磁场回路;即一个输入对应一个输出,整个 大功率器件看作是独立的多个大功率器件的组合;输入或者输出有一端共用构成的PCB模块,输入不同而回路共地的,或者共输入而 回路各自不同的,可以将输入与地线分别构造互相抵消的电磁场;输入和输出之间不存 在对应关系,而且输入端或者输出端仅有一个端口的输入是独立的,则将不独立的端口 连接在一起,作为共输入或者共输出端口。
2.根据权利要求1所述设计方法,其特征为互相抵消的电磁场子回路的总数为偶 数,拓扑结构可以是各种几何形状。
3.根据权利要求1所述设计方法,其特征为互相抵消的电磁场子回路互相临近, 而且回路线包围的面积相同;可以在单层或者多层电路板上实现,并且电路板的材质可 以是多样的;可以利用0欧姆电阻(或者固定形状的导线)以及电路板的过孔实现线路 的连接,优化的设计是在一对互相抵消的子回路中,每一个子回路有相同的过孔或者0 欧姆电阻(或者固定形状的导线)结构;而且回路在立体范围内包围的面积相同。
4.根据权利要求1所述设计方法,其特征为互相抵消的电磁场回路中大功率器件 内部的电流走线,使用等效电流中分线,以计算包围的面积和确认子回路的几何形状; 等效电流中分线根据器件内部芯片以及封装的图像检视得到,或者根据实验数据获得; 当器件的尺寸与子回路的线路长度相比很小时,可以采用器件输入端口与输出端口的直 线近似。
全文摘要
本发明涉及一种提高大功率器件或者大功率器件模组电磁兼容性能的设计方法,包括4个部分单个大功率器件的PCB模块、多个大功率器件串联的PCB模块、由多个输入输出端口器件串联构成的PCB模块、输入或者输出有一端共用构成的PCB模块。利用电流回路本身构造互相抵消的多个电磁场,达到高性能EMC的目标。
文档编号H05K1/02GK102014602SQ20101059383
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者尹登庆 申请人:深圳宏伍智能光电有限公司
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