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最小程度，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最小程度，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完全相同，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，因此是实际中应用最多的一种方法。
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。
3 硬屏蔽技术
所谓硬屏蔽技术就是电源的设计者，在将电源设计和调试完成后，如何设计一个屏蔽罩，一方面是将软屏蔽后电源所残留电辐射和磁辐射的杂散电磁波对环境以及邻近周围的用电系统的影响和干扰尽可能地屏蔽掉。另一方面是外部的杂散电磁波不至于辐射到电源电路中，影响和干扰电源电路的正常工作。
(1)电场屏蔽技术。对电场的屏蔽技术就是把一个电路系统与另一个电路系统之间所产生的电场耦合消除和抑制到最小程度。电场耦合主要是通过电路系统内部各元器件和连接线对机壳或者对接地端所产生的寄生电容引起的。电路系统中各元器件及引线与接地端所产生的寄生电容分别表示于图8中。由图中可见，元器件P1、P2和引线L1、L2分别与接地端之间所感应的高频电压幅值和它们各自之间与接地端之间的寄生电容C1、C2、C3、C4成反比。也就是说，当它们各自之间与接地线之间的分布寄生电容无穷大时，就对所感应的高频电压信号呈现短路状态，可以将这些所感应的高频电压信号几乎全部旁路到地。换一句话说，也就是当它们各自之间与接地线之间的分布寄生电容无穷大时，就不会感应高频电压信号。对整个电路系统加工一个接地的金属屏蔽罩，就相当于增大了电路中各元器件和引线与接地端的寄生电容，如图9所示。
为了便于说明问题，图中只表示出了元器件P1在二维平面内与接地金属屏蔽罩之间的寄生电容分布情况。其它元器件以及引线在三维平面内与接地金属屏蔽罩之间的寄生电容分布情况便可以此类推。从图中可看出，给电路系统加上接地良好的金属屏蔽外罩后，元器件P1与接地端之间的总寄生电容C就等于各个方向与接地端之间寄生电容的并联值，可由下式表示：
C=C1+C2+C3+C4+C5+C6+……+Cn                   (2)
因此给电路系统外加了接地良好的金属屏蔽罩以后，就可以将电路中各元器件和引线与接地端之间所感应的高频电压信号降低到最小程度，甚至就不会感应高频电压信号。这也就是电路设计工程师们在PCB布线过程中，尽量增大接地线的面积，尽量缩短其它元器件的引线，尽量避免出现高频与低频交叉走线的机会，有时甚至将无用的空闲地方也布成接地线的原因所在。实验证明，金属屏蔽罩的材料选择铝板和铁板，其屏蔽效果是一样的，并且与屏蔽罩的厚度没有关系。金属屏蔽罩上所开的过线狭缝和调节圆孔的尺寸只要满足比高频信号的波长小得多，对电场的屏蔽效果基本上是没有什么影响的。但是，外加的金属屏蔽罩接地的好坏却对屏蔽的效果影响非常大，因此要得到良好的屏蔽效果，就必须保证所外加的金属屏蔽罩具有良好的接地。
(2)磁场屏蔽技术。由于电源电路是一种具有较大功率变换和输出的电路，所以它的载流电路的周围空间都会产生杂散磁场，特别是电路中的主开关变压器。这种杂散磁场是静磁场还是交变磁场，则由载流电路中流过的电流是直流还是交流而决定。静磁场对处于周围的任何导体不产生任何电动势，而交变磁场则对处于其中的导体产生交变电动势，这种交变电动势是由于各元器件和引线与接地端之间的寄生电感而引起的。它的幅值是由电源中载流电路和引线上流过的交流电流的大小和频率来决定的，并且与其成正比关系。电源电路中载流元器件和引线与接地端之间的寄生电感可用图10来表示。磁场屏蔽技术的任务就是消除由于寄生电感的存在所产生的电路与电路之间，通过磁耦合而产生的相互干扰和影响。也就是抑制上面所说的那种交变电动势。由此可见，只要把载流电路、载流元器件和载流引线与接地端之间的寄生电感减少到最小，才能把通过磁耦合所感应的高频电动势降低到最小程度。我们仍然采用电场屏蔽技术讨论中所采用的外加接地金属屏蔽罩的方法来对付磁屏蔽问题，只是将所加工的金属屏蔽罩的材料规定为顺磁材料，并使之与接地端具有良好的连接。这样一来，磁力线就会沿顺磁材料加工成的屏蔽罩的壁通过。因为屏蔽罩是采用顺磁材料加工成的，其磁阻要比空气的磁阻小得多，因此载流电路、载流元器件和载流引线与接地端的寄生电感就会减小，如图11所示。图中仅表示出了其中一个载流体P1与接地端之间的寄生电感的分布情况。从图中不难看出，该载流体P1与接地端之间的总寄生电感L就等于各个方向上寄生电感的并联值，因此总的寄生电感就减小了许多。可用下面的关系式表示为：
               (3)
当寄生电感L被减少到最小程度后，电源电路中载流体周围的交变磁场也就被降低了，这时感应交变电动势也就被降低到最低程度了，从而完成了对磁场屏蔽的任务。实验证明，在其它条件都不便的情况下，要得到较好的效果，降低屏蔽罩的磁阻是一个关键的因素。但要降低屏蔽罩的磁阻除了要选用导磁率较高的铁磁材料以外，加厚屏蔽罩的厚度、减少与磁感应线方向垂直的接头、开孔和缝隙也是一个非常有效的方法。在实际应用中，除了给电源单独加工一个接地良好的屏蔽罩以外，对电路中的主开关变压器也要采取必要的屏蔽措施，以降低主开关变压器由于加工时不合理的布线而产生的漏磁现象。
(3)电磁场的屏蔽技术。由以上对电场和磁场屏蔽技术的讨论中就可以看到，静电场和静磁场对周围的环境不会产生污染，对邻近的其它电子设备不会产生干扰和影响，而只有交变电场和磁场才能由一个电路系统辐射和传播到其它的电路系统，才能对周围的环境造成污染，才能对邻近的其它电子设备产生干扰和影响。但是，在实际应用中，纯粹的交变电场和交变磁场是不存在的，在有交变电场出现的地方就会伴随有交变磁场出现，同样在有交变磁场出现的地方就会伴随有交变电场出现，它们的传播和辐射是以电磁波的形式出现的。因此纯粹的电场屏蔽技术与磁场屏蔽技术在电源的实际应用中是没有意义的，但是通过对它们的分析与讨论中，可以归纳出对杂散电磁波的滤除、抑制和衰减非常实用、非常有效的方法来。
磁场在屏蔽罩内所感应的电流是流过磁阻值很小的屏蔽罩本身的短路表面，而电场屏蔽时，在电流流过的电路中，被屏蔽的各点与屏蔽罩之间总是有容抗存在的，电场屏蔽的效果完全取决于屏蔽罩本身与系统机壳或接地端之间的短路情况。在对磁场进行屏蔽时，把屏蔽罩本身连接到系统的机壳或接地端，完全不会改变屏蔽罩激励电流值的大小，因而对改变磁场屏蔽的效果和作用不大。
在电场屏蔽中，频率的高低对屏蔽的效果影响不是很明显，屏蔽罩的电阻率对电场屏蔽的效果也很小。而磁场的屏蔽则完全取决于频率的高低，频率愈高，则磁场屏蔽的效果愈强。屏蔽的效果一旦确定以后，也就是屏蔽的参数一旦选定以后，对于同频率的磁场，则屏蔽罩的厚度要求也不一样。对于频率较低的磁场，选定屏蔽罩的厚度就要越厚。电场屏蔽时，可以允许屏蔽罩上有长狭缝。但磁场屏蔽时，屏蔽罩上长狭缝的方向如果与涡流的方向刚好垂直，那么就会使屏蔽的效果变得很差。因为所要屏蔽的电路是开关稳压电源这个较为复杂的电路，其中磁通的方向是杂乱无章的。因此在对磁场进行屏蔽时，屏蔽罩上应尽量避免出现长狭缝，金属盖与屏蔽罩之间，屏蔽罩与机壳之间，屏蔽罩与引出线插头之间等接缝处的狭缝都要严格地焊接好或保持良好的接触。
4 结语
通过上面对电场和磁场屏蔽技术和方法的分析和讨论，我们就可以得到对电磁场的屏蔽技术和方法为：首先，完全以对磁场屏蔽的要求来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与电路系统的机壳和接地端短路，这样一来就可以对电磁场进行有效的屏蔽。采用这样的屏蔽外罩，不但可以把电源电路本身朝外传播和辐射的杂散电磁波屏蔽到最小程度，而且还可以将外界环境中的杂散电磁波阻挡住，不至于对电源的正常工作造成影响和干扰。如果每一种电子设备和用电系统都能够这样做的话，我们周围的环境将变得十分干净和卫生，我们的工频市电电网也将会变得十分干净和卫生。

参考文献
[1] 吕广平，徐笑貌．集成电路应用500例．北京：人民邮电出版  社，1988．
[2] 实用电子电路手册．编写组．实用电子电路手册(模拟分册)．北京：高等教育出版社，1991．
[3] 王剑英，常敏慧，何希才．新型开关稳压电源实用技术．北京：电子工业出版社，2000．
[4] [美]R.F. 格拉夫．电子电路百科全书．电子电路百科全书．编译组译．北京：科学出版社，1991．
[5] 沙占友等．特种集成电路最新应用技术．北京：人民邮电出版社，2000．
[6] 李爱文，张承惠．现代逆变技术及其应用．北京：科学出版社，2000．
[7] 叶慧贞，杨兴洲．开关稳压电源．北京：国防工业出版社，1993.
[8] 史平均，张笠(美)．电源元器件实用资料汇编．陕西省电源学会/西安市电源学会，1999．
[9] 叶慧贞．脉冲调制型开关稳压电源减小噪声的措施．1982年电源年会论文，1982．
[10] 候振义，候传教．UC3854功率因数校正IC及其应用设计．电源技术应用1998年合订本．
[11]王水平，付敏江．开关稳压电源——原理、设计与实用电路，西安：电子科技大学出版社，1997．
[12]杨栓科，张辉．模块电源电磁兼容性标准简介．电源技术应用1998年合订本．
[13]杨栓科，张辉．模块电源安全性标准简介．电源技术应用1998年合订本．

作者简介
王水平，男，高级工程师，从事电源技术方面的科研、教学和产品开发工作，中国电源学会特种专业委员会委员，陕西省电源学会理事并兼学术委员会副主任，西安市电源学会理事并兼学术委员会副主任。
刘畅生，男，从事科研、教学工作20多年曾获国家科技进步奖等诸多奖项。
于建国，男，博士，长期从事教学和科研工作，研究方向为检测技术与自动化装置和时频测量与仪器。