一種提高大功率器件及大功率器件模組電磁兼容性能的設計方法

專利名稱：一種提高大功率器件及大功率器件模組電磁兼容性能的設計方法
技術領域：
本發明涉及集成電路和電路板設計領域，特別是一種提高大功率器件或者大功 率器件模組電磁兼容性能的設計方法。電磁兼容性能的提高是通過構造一對對互相抵消 的子回路實現的子回路可以將自身的電磁輻射互相抵消，而且在外界電磁場干擾時， 每一對子回路產生的感應電流大小相等，方向相反，降低了外界電磁場干擾的強度。
背景技術：
當前的EMC設計，在PCB板方面，主要通過地線以及信號線的布線規則進行保 證，如設計單獨的地線網絡、大信號與小信號分開等；在功能復雜的電路板設計中，先 按照功能對電路板進行分區，在分區之間采用走線連接，避免各個不同功能區對其他分 區的電磁干擾降低，同時不受其他分區的電磁干擾影響，保證正常工作。在以上設計不 能夠滿足要求時，則采用金屬屏蔽的方式，如圖1所示。1為金屬殼體，與固定的電位連接，一般與地線連接；2為提供產品性能的多塊 PCB,即電磁輻射源；3為金屬殼體上開的孔，供散熱等用途應用。目前的方式，對于一般的通信或者家用電器電路板使用，而且方法簡單，成本 增加不多；但是在不能夠使用金屬材料進行屏蔽的場合，此方法不適用。如照明用的燈 具，特別是大功率燈具以及在艦船上使用的燈具，由于需要將燈泡裸露在金屬殼體外， 而燈泡的燈絲上的電流很大，而且大功率等燈泡的燈絲較長，造成的電磁干擾就很大； 當前使用的LED燈具，由于LED與供電的鋁基板同時裸露在外，造成的電磁干擾無法屏 蔽。傳統方法的缺點為
使用屏蔽材料，增加了成本。在某些場合下，不適用，如燈具。在特種場所，產品破損造成的電磁干擾對其他部件產生不良的干擾。需要將金屬殼體與地線牢固而且長期良好地連接。開孔部位的最大長度小于電磁波長的5%。

發明內容
鑒于上述方法的缺陷，本發明通過針對每一個電流回路構造本身互相抵消的多 個電磁場的方法，從而克服上述方法的缺陷。本發明是通過以下方法實現的。識別PCB上內一個電流回路；
在每一個電流回路上，構造電磁場方向相反的子回路；
計算、測量或者近似的方法，獲得器件的等效電流中分線；
計算互相抵消的電磁場子回路的面積，保證互相抵消的電磁場子回路的面積相等；按照設計的子回 路放置器件； 方法使用于整個電路板以及多個電路板。如圖2所示為改進的大功率器件的驅動走線。包括3個部分供電電源模組、 走線和大功率器件。供電模組認為是保持電磁靜默的組件，其電磁干擾已經在設計范圍內。大功率 器件是需要裸露在外工作，無法進行金屬材料的電磁屏蔽。連接關系為供電電源模組從Al端口輸出電流，經過A2、A3、A4、A5、 A6、A7到達大功率器件的正輸入端，電流流經大功率器件，對大功率器件進行驅動，電 壓降低，從B7端口流出，經過B6、B5、B4、B3、B2，流回供電電源模組端口 Bi。其 中Si、S2為電流回路兩個虛擬的交叉點，實際上兩條走線在電路板的不同層面上；S3為 計算回路面積的虛擬的交叉點，將線段B3B4延長后與線段A4A5的交點。正常工作時，大功率器件內部的電流路徑假定為從端口 A7到端口 B7的一條直 線，則由A6、A7、B7、B6、S2構成一個電流回路，其引發的磁場方向迎面而來；B4、 B5、S2、A5、S3構成另外一個電流回路，其引發的磁場方向遠離而去。由于電信號的傳 播速度很快，在兩個回路中的電流大小相等，引發的電磁場的大小與回路的面積有關， 當兩個回路的面積相等時，兩個回路產生的電磁場互相抵消。在電流路徑上，可以制造多個成對的電流回路。Al、A2、Si、B2、Bl構成的 電流回路，其引發的磁場方向迎面而來；B3、B4、S3、A4、A3構成的電流回路，其引 發的磁場方向遠離而去。當兩個回路的面積大小相等時，兩個回路產生的電磁場互相抵 消。當電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。本發明的主要優點是
大部分電磁場互相抵消，特別是低頻大電流的情況下，無需金屬屏蔽，就可以達到 EMC的要求。雖然器件內部的等效電流中分線不可能精確獲得，器件在放置時，通過放置的 方向和角度，可以抵消等效電流中分線誤差造成的電磁場不能夠抵消的問題。在不能夠使用金屬屏蔽的場合下，如照明燈具的設計上，可以應用此方法；電 路板即使裸露在外，其電磁兼容性能基本保持不變。無需增加成本，不需要改變電路以及產品結構。當電路板的尺寸遠小于工作波長時，此方法基本適用。為了提高性能，可以增加多個成對的電流回路，縮小每一個電流回路的面積即可。適用于多種材料的PCB板。


圖1:現在的電磁兼容(EMC)結構示意圖
圖2 針對單個大功率器件構造的電磁抵消回路_多層PCB結構；圖3 針對單個大功率器件構造的電磁抵消回路_單層PCB結構； 圖4 針對偶數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路_多層PCB結構； 圖5:針對偶數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路_單層PCB結構； 圖6 針對奇數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路_多層PCB結構； 圖7 針對奇數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路_單層PCB結構； 圖8 針對多個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路_多層PCB結構； 圖9:針對多個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路_單層PCB結構； 圖IOA :針對多輸入多輸出大功率器件串聯構造的電磁抵消回路； 圖IOB 針對多輸入多輸出大功率器件串聯構造的電磁抵消回路-單個串聯器件的工 作原理示意圖11:針對多輸入共 地線大功率器件構造的電磁抵消回路； 圖12 在大功率LED照明和背光源中的應用示例。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的內容作進一步的詳述。如圖3所示單層PCb結構上針對單個大功率器件構造的電磁抵消回路。工作原 理與圖2電路相同。正常工作時，大功率器件內部的電流路徑假定為從端口 A7到端口 B7的一條直線，則由A6、A7、B7、B6、S2構成一個電流回路，其引發的磁場方向迎面 而來；B4、B5、S2、A5、S3構成另外一個電流回路，其引發的磁場方向遠離而去。由 于電信號的傳播速度很快，在兩個回路中的電流大小相等，引發的電磁場的大小與回路 的面積有關，當兩個回路的面積相等時，兩個回路產生的電磁場互相抵消。在電流路徑上，可以制造多個成對的電流回路。Al、A2、Si、B2、Bl構成的 電流回路，其引發的磁場方向迎面而來；B3、B4、S3、A4、A3構成的電流回路，其引 發的磁場方向遠離而去。當兩個回路的面積大小相等時，兩個回路產生的電磁場互相抵 消。當電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。由于在單層電路板上，虛擬的交叉點Sl和S2必須使用0歐姆電阻或者固定形狀 的導線Rl對其中一條走線進行橋接，如圖3中對走線A2A3進行橋接，使得走線B2B3 與走線A2A3不在一個平面上。如圖4所示多層PCB結構的針對偶數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路。 連接關系為電流從供電電源模組Bl輸出，經過B2、B3、B4到達大功率器件1的輸入 端Pl+，產生電壓降到達大功率器件1的輸出端P1-，驅動大功率器件1工作；Pl-與大 功率器件2的輸入端P2+連接，電流經過大功率器件2，產生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅動大功率器件2; P2-與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經過大 功率器件3，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅動大功率器件3; P3-與 大功率器件4的輸入端P4+連接，電流經過大功率器件4，產生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅動大功率器件4。
大功 率器件4輸出的電流，經過S4、S3、S2、Si、S5、A4、A3、S6、A2、
Al回到供電電源模組。其中S4、S3、S2、Sl為回流電流路徑與各個大功率器件的電 流中分線的虛擬交點。S5為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交點，S6為電流路徑 B2B3與A3A2的虛擬交點。虛擬交點是為了計算回路包圍的面積構造的交叉點，大功率器件的電流中分線 是大功率器件工作時，電流在內部流過的路徑。工作原理為由兩個相鄰器件大功率器件3和大功率器件4包圍的電流回路 S4、S3、P3-、P4+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件3和大功率器件2包圍 的電流回路P2-、P3+、S3、S2，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S4、S3、 P3-、P4+和P2-、P3+、S3、S2的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相 反，互相抵消。由兩個相鄰器件大功率器件2和大功率器件1包圍的電流回路S2、Si、P1-、 P2+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件1和構造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相抵消。電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4引發的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引發的磁場方向遠離而去；兩個電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。如圖5所示單層PCB結構的針對偶數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路。 連接關系為電流從供電電源模組Bl輸出，經過B2、B3、B4到達大功率器件1的輸入 端Pl+，產生電壓降到達大功率器件1的輸出端P1-，驅動大功率器件1工作；Pl-與大 功率器件2的輸入端P2+連接，電流經過大功率器件2，產生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅動大功率器件2; P2-與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經過大 功率器件3，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅動大功率器件3; P3-與 大功率器件4的輸入端P4+連接，電流經過大功率器件4，產生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅動大功率器件4。大功率器件4輸出的電流，經過S4、S3、S2、Si、S5、A4、A3、S6、A2、
Al回到供電電源模組。其中S4、S3、S2、Sl為回流電流路徑與各個大功率器件的電 流中分線的虛擬交點。S5為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交點，S6為電流路徑 B2B3與A3A2的虛擬交點。虛擬交點是為了計算回路包圍的面積構造的交叉點，大功率器件的電流中分線 是大功率器件工作時，電流在內部流過的路徑。工作原理為由兩個相鄰器件大功率器件3和大功率器件4包圍的電流回路 S4、S3、P3-、P4+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件3和大功率器件2包圍 的電流回路P2-、P3+、S3、S2，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S4、S3、P3-、P4+和P2-、P3+、S3、S2的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相 反，互相抵消。由兩個相鄰器件大功率器件2和大功率器件1包圍的電流回路S2、Si、P1-、 P2+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件1和構造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相抵消。電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4引發的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引發的磁場方向遠離而去；兩個電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。由于在單層電路板上，虛擬的交叉點S6必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導 線Rl對其中一條走線進行橋接，如圖5中對走線A2A3進行橋接，使得走線B2B3與走 線A2A3不在一個平面上。如圖6所示多層PCB結構的針對奇數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路。 連接關系為電流從供電電源模組Bl輸出，經過B2、B3、B4到達大功率器件1的輸入 端Pl+，產生電壓降到達大功率器件1的輸出端P1-，驅動大功率器件1工作；Pl-與大 功率器件2的輸入端P2+連接，電流經過大功率器件2，產生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅動大功率器件2; P2-與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經過大 功率器件3，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅動大功率器件3; P3-與 大功率器件4的輸入端P4+連接，電流經過大功率器件4，產生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅動大功率器件4; P4-與大功率器件5的輸入端P5+連接，電流經過 大功率器件5，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P5-輸出，驅動大功率器件5。大功率器件5輸出的電流，經過V6、V7、S5、S4、S3、S2、Si、S5、A4、 A3、S6、A2、Al回到供電電源模組。其中S5、S4、S3、S2、Sl為回流電流路徑與各 個大功率器件的電流中分線的虛擬交點。S6為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交 點，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點。工作原理為由兩個相鄰器件大功率器件4和大功率器件5包圍的電流回路 P4-、P5+、S5、S4，其引發的磁場方向迎面而來；由大功率器件5和構造走線包圍的電 流回路P5-、V6、V7、S5，其引發的磁場方向遠離而去。兩個電流回路P4-、P5+、S5、 S4和P5-、V6、V7、S5的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相 抵消。由兩個相鄰 器件大功率器件3和大功率器件4包圍的電流回路S4、S3、P3-、 P4+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件3和大功率器件2包圍的電流回路 P2-、P3+、S3、S2，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S4、S3、P3-、P4+ 和P2-、P3+、S3、S2的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相抵 消。
由兩個相鄰器件大功率器件2和大功率器件1包圍的電流回路S2、Si、PI-、 P2+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件1和構造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相抵消。電流回 路S5、A4、A3、S6、B3、B4引發的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引發的磁場方向遠離而去；兩個電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。如圖7所示單層PCB結構的針對奇數個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路。 連接關系為電流從供電電源模組Bl輸出，經過B2、B3、B4到達大功率器件1的輸入 端Pl+，產生電壓降到達大功率器件1的輸出端P1-，驅動大功率器件1工作；Pl-與大 功率器件2的輸入端P2+連接，電流經過大功率器件2，產生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅動大功率器件2; P2-與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經過大 功率器件3，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅動大功率器件3; P3-與 大功率器件4的輸入端P4+連接，電流經過大功率器件4，產生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅動大功率器件4; P4-與大功率器件5的輸入端P5+連接，電流經過 大功率器件5，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P5-輸出，驅動大功率器件5。大功率器件5輸出的電流，經過V6、V7、S5、S4、S3、S2、Si、S5、A4、 A3、S6、A2、Al回到供電電源模組。其中S5、S4、S3、S2、Sl為回流電流路徑與各 個大功率器件的電流中分線的虛擬交點。S6為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交 點，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點。工作原理為由兩個相鄰器件大功率器件4和大功率器件5包圍的電流回路 P4-、P5+、S5、S4，其引發的磁場方向迎面而來；由大功率器件5和構造走線包圍的電 流回路P5-、V6、V7、S5，其引發的磁場方向遠離而去。兩個電流回路P4-、P5+、S5、 S4和P5-、V6、V7、S5的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相 抵消。由兩個相鄰器件大功率器件3和大功率器件4包圍的電流回路S4、S3、P3-、 P4+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件3和大功率器件2包圍的電流回路 P2-、P3+、S3、S2，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S4、S3、P3-、P4+ 和P2-、P3+、S3、S2的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相抵 消。由兩個相鄰器件大功率器件2和大功率器件1包圍的電流回路S2、Si、P1-、 P2+,其引發的磁場方向遠離而去；由大功率器件1和構造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發的磁場方向迎面而來。兩個電流回路S2、Si、PI-、P2+和B4、Pl+, Si、S5的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互相抵消。電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4引發的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、B2、S6、A2、Al引發的 磁場方向遠離而去；兩個電流回路S5、A4、A3、S6、B3、B4 和Bi、B2、S6、A2、Al的面積相等，電流相同，引發的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。由于在單層電路板上，虛擬的交叉點S7必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導 線Rl對其中一條走線進行橋接，如圖7中對走線A2A3進行橋接，使得走線B2B3與走 線A2A3不在一個平面上。如圖8所示多層PCB結構的多個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路，大功率 器件可以是偶數個，也可以是奇數個。連接關系為電流從供電電源模組Bl輸出，經 過B2、B3、B4到達大功率器件1的輸入端Pl+，產生電壓降到達大功率器件1的輸出 端P1-，驅動大功率器件1工作；Pl-經過B5、B6與大功率器件2的輸入端P2+連接， 電流經過大功率器件2，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P2-輸出，驅動大功率器件 2 ； P2-經過B7、B8與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經過大功率器件3，產生電 壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅動大功率器件3; P3-經過B9、BlO與大功 率器件4的輸入端P4+連接，電流經過大功率器件4，產生電壓降，從大功率器件的輸出 端P4-輸出，驅動大功率器件4。大功率器件4 輸出的電流，經過 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回到供電電源模組。其中S7、S5、S3、Sl為回
流電流路徑與各個大功率器件的電流中分線的虛擬交點。S8為構造的電流回路的節點， SlO為起點B4，與S1A6平行的線段在線段A4A5上的交點，延長線與線段A4S1的虛擬 交點，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點。S6為線段A16A17和線段B9B10的 虛擬交點，S4為A12A13與線段B7B8的虛擬交點，S4為A8A9與線段B5B6的虛擬交 點，S9為A2A3與線段B2B3的虛擬交點。工作原理為圍繞大功率器件4，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回 路P4-、BlU S8、A20、A19、S7引發的磁場方向遠離而去，電流回路S6、BIO、P4+、 S7、A18、A17引發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電 流一樣，引發的磁場互相抵消。圍繞大功率器件3，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回路P3-、B9、 S6、A16、A15、S5引發的磁場方向遠離而去，電流回路S4、B8、P3+、S5、A14、A13 引發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件2，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回路P2-、B7、 S4、A12、All、S3引發的磁場方向遠離而去，電流回路S2、B6、P2+、S3、A10、A9 引發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件1，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回路PI-、B5、S2、A8、A7、Sl引發的磁場方向遠離而去，電流回路S10、B4、Pl+, Si、A6、A5弓丨
發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的磁 場互相抵消。單獨構造的走線組成一對互相抵消的電流回路。電流回路Bi、B2、S9、A2、 Al引發的磁場方向遠離而去，電流回路S9、B3、B4、S10、A4、A3引發的磁場方向迎 面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的磁場互相抵消。如圖9所示單層PCB結構的多個大功率器件串聯構造的電磁抵消回路，大功率 器件可以是偶數個，也可以是奇數個。連接關系為電流從供電電源模組Bl輸出，經 過B2、B3、B4到達大功率器件1的輸入端Pl+，產生電壓降到達大功率器件1的輸出 端P1-，驅動大功率器件1工作；Pl-經過B5、B6與大功率器件2的輸入端P2+連接， 電流經過大功率器件2，產生電壓降，從大功率器件的輸出端P2-輸出，驅動大功率器件 2； P2-經過B7、B8與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經過大功率器件3，產生電 壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅動大功率器件3; P3-經過B9、BlO與大功 率器件4的輸入端P4+連接，電流經過大功率器件4，產生電壓降，從大功率器件的輸出 端P4-輸出，驅動大功率器件4。大功率器件4 輸出的電流，經過 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回到供電電源模組。其中S7、S5、S3、Sl為回
流電流路徑與各個大功率器件的電流中分線的虛擬交點。S8為構造的電流回路的節點， SlO為起點B4，與S1A6平行的線段在線段A4A5上的交點，延長線與線段A4S1的虛擬 交點，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點。S6為線段A16A17和線段B9B10的 虛擬交點，S4為A12A13與線段B7B8的虛擬交點，S4為A8A9與線段B5B6的虛擬交 點，S9為A2A3與線段B2B3的虛擬交點。工作原理為圍繞大功率器件4，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回 路P4-、BlU S8、A20、A19、S7引發的磁場方向遠離而去，電流回路S6、BIO、P4+、 S7、A18、A17引發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電 流一樣，引發的磁場互相抵消。圍繞大功率器件3，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回路P3-、B9、 S6、A16、A15、S5引發的磁場方向遠離而去，電流回路S4、B8、P3+、S5、A14、A13 引發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件2，單獨構成一對互相抵消的電流回路。電流回路P2-、B7、 S4、A12、All、S3引發的磁場方向遠離而去，電流回路S2、B6、P2+、S3、A10、A9 引發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件1，單獨構成一對互相 抵消的電流回路。電流回路PI-、B5、 S2、A8、A7、Sl引發的磁場方向遠離而去，電流回路S10、B4、Pl+, Si、A6、A5弓丨 發的磁場方向迎面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的磁 場互相抵消。
單獨構造的走線組成一對互相抵消的電流回路。電流回路Bi、B2、S9、A2、 Al引發的磁場方向遠離而去，電流回路S9、B3、B4、S10、A4、A3引發的磁場方向迎 面而來；兩個電流回路面積大小相等，形狀相同，電流一樣，引發的磁場互相抵消。當電路 受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產生一個感應電流，則在對 應的回路上產生一個大小相等，方向相反的感應電流，從而感應電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。由于在單層電路板上，虛擬的交叉點S9必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導 線Rl對其中一條走線進行橋接，如圖9中對走線A2A3進行橋接，使得走線B2B3與走 線A2A3不在一個平面上；虛擬的交叉點S2必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導線R2 對其中一條走線進行橋接，如圖9中對走線B5B6進行橋接，使得走線B5B6與走線A8A9 不在一個平面上；虛擬的交叉點S4必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導線R3對其中 一條走線進行橋接，如圖9中對走線B7B8進行橋接，使得走線B7B8與走線A12A13不 在一個平面上；虛擬的交叉點S6必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導線R4對其中一 條走線進行橋接，如圖9中對走線B9B10進行橋接，使得走線B9B10與走線A16A17不 在一個平面上。如圖IOA所示，針對多輸入多輸出大功率器件串聯構造的電磁抵消回路。大功 率器件模組1由三個器件封裝在一起構成端口為PlR+和PlR-的器件R、端口為PlG+ 和PlG-的器件G、端口為PlB+和PlB-的器件B。連接關系為供電電源模組電流從El端口輸出，與大功率器件模組1中的器件 B端口 PlB+連接，經過大功率器件模組1中器件B產生壓降，從端口 PlB-離開，驅動 大功率器件模組1中器件B工作；PlB-與P2B+連接，電流經過大功率器件模組2中器件 B產生壓降，從端口 P2B-離開，驅動大功率器件模組2中器件B工作；P2B-與P3B+連 接，電流經過大功率器件模組3中器件B產生壓降，從端口 P3B-離開，驅動大功率器件 模組3中器件B工作；P3B-與P4B+連接，電流經過大功率器件模組4中器件B產生壓 降，從端口 P4B-離開，驅動大功率器件模組4中器件B工作；電流離開端口 P4B-后， 經過設定的電流路徑返回供電電源模組端口 F1。供電電源模組電流從Cl端口輸出，與大功率器件模組1中的器件G端口 PlG+ 連接，經過大功率器件模組1中器件G產生壓降，從端口 PlG-離開，驅動大功率器件 模組1中器件G工作；PlG-與P2G+連接，電流經過大功率器件模組2中器件G產生壓 降，從端口 P2G-離開，驅動大功率器件模組2中器件G工作；P2G-與P3G+連接，電 流經過大功率器件模組3中器件G產生壓降，從端口 P3G-離開，驅動大功率器件模組3 中器件G工作；P3G-與P4G+連接，電流經過大功率器件模組4中器件G產生壓降，從 端口 P4G-離開，驅動大功率器件模組4中器件G工作；電流離開端口 P4G-后，經過設 定的電流路徑返回供電電源模組端口 D1。大功率器件模組中器件R的連接關系，通過圖IOB進行更加細致的描述供電 電源模組電流從Al端口輸出，經過A2、A3、A4、A5、A6與大功率器件模組1中的器 件R端口 PlR+連接，經過大功率器件模組1中器件R產生壓降，從端口 PlR-離開，驅 動大功率器件模組1中器件B工作；PlR-經過A7、A8與P2R+連接，電流經過大功率器 件模組2中器件R產生壓降，從端口 P2R-離開，驅動大功率器件模組2中器件R工作；P2R-經過A9、AlO與P3R+連接，電流經過大功率器件模組3中器件R產生壓降，從端 口 P3R-離開，驅動大功率器件模組3中器件R工作；P3R-經過All、A12與P4B+連 接，電流經過大功率器件模組4中器件R產生壓降，從端口 P4R-離開，驅動大功率器件 模組4中器件R工作；電流離開端口 P4R-后，經過SR4、SR3、SR2、SRU B4、B3、 B2設定的電流路徑返回供電電源模組端口 Bi。SR4為大功率器件模組4中器件R的電流中分線與設定的回路電流走線的交點， SR3為大功率器件模組3中器件R的電流中分線與設定的回路電流走線的交點，SR2為大 功率器件模組2中器件R的電流中分線與設定的回路電流走線的交點，SRl為大功率器 件模組1中器件R的電流中分線與設定的回路電流走線的交點；Sl為線段A2A3與線段 B2B3的虛擬交點，僅為計算回路的面積而定義的。大功率器件模組4中的器件R與大功率器件模組3中的器件R構成的電流回路 P3R-、All、A12、P4R+、SR4、SR3，其引發的磁場方向迎面而來；大功率器件模組 3中的器件R與大功率器件模組2中的器件R構成的電流回路SR2、P2R+、A9、A10、 P3R+、SR3，其引發的磁場方向遠離而去。兩個電流回路中電流大小相等，面積相同， 產生的磁場大小相等，方向相反，互相抵消。
大功率器件模組1中的器件R與大功率器件模組2中的器件R構成的電流回路 PlR-> A7、A8、P2R+、SR2、SRl,其引發的磁場方向迎面而來；大功率器件模組1中 的器件R與設定的走線構成的電流回路B4、A4、A5、A6、PlR+, SRl,其引發的磁場 方向遠離而去。兩個電流回路中電流大小相等，面積相同，產生的磁場大小相等，方向 相反，互相抵消。外部構造的走線有2個電流回路電流回路Si、B3、B4、A4、A3，其引發的 磁場方向遠離而去；電流回路Al、A2、Si、B2、Bi，其引發的磁場方向迎面而來。兩 個電流回路中電流大小相等，面積相同，產生的磁場大小相等，方向相反，互相抵消。如圖11所示，為多層PCB結構針對多輸入共地線大功率器件構造的電磁抵消回 路。大功率器件有3個輸入端PR+、PG+、PB+和一個共地輸出端PGND，是將三個大 功率器件器件R、器件G、器件B封裝在一起，輸入采用獨立的端口，輸出采用共地線 結構的模組。連接關系如下
電流從供電電源模組端口 Al輸出，經過A2、A3、A4、PR+,進入大功率器件模組 中的器件R，產生電壓降，驅動器件R，從A5(PGND)流出，經過A6、A7，返回供電 電源模組端口 A8;電流從供電電源模組端口 Bl輸出，經過B2、B3、B4、PG+,進入 大功率器件模組中的器件G，產生電壓降，驅動器件G，從B5(PGND)流出，經過A6、 A7，返回供電電源模組端口 A8 ；電流從供電電源模組端口 Cl輸出，經過C2、C3、C4、 PB+,進入大功率器件模組中的器件B，產生電壓降，驅動器件B，從C5(PGND)流出， 經過A6、A7，返回供電電源模組端口 A8。A5為大功率器件模組中器件R的電流中分線與PGND輸出端口線的交點，B5為 大功率器件模組中器件G的電流中分線與PGND輸出端口線的交點，C5為大功率器件模 組中器件B的電流中分線與PGND輸出端口線的交點。Sl為線段C2C3與線段A6A7的虛擬交點，S2為線段B2B3與線段A6A7的虛擬交點，S3為線段A2A3與線段A6A7的虛擬交點，僅作為計算電流回路的面積使用； 工作原理如下電流回路S3、A3、A4、PR+、A5、A6引發的磁場方向遠離而去， 電流回路Al、A2、S3、A7、A8引發的電磁場方向迎面而來，兩個電流回路的面積相 等，電流大小相同，產生的磁場大小相同，方向相反，互相抵消；電流回路S2、B3、 B4、PG+> B5、B6引發的磁場方向遠離而去，電流回路Bi、B2、S2、A7、A8引發 的電磁場方向迎面而來，兩個電流回路的面積相等，電流大小相同，產生的磁場大小相 同，方向相反，互相抵消；電流回路Si、C3、C4、PB+, C5、C6弓丨發的磁場方向遠離 而去，電流回路Cl、C2、Si、A7、A8引發的電磁場方向迎面而來，兩個電流回路的面 積相等，電流大小相同，產生的磁場大小相同，方向相反，互相抵消；
如圖12所示為在大功率LED 照明中的應用示例。參照標準，100mA, 50MHz的 lcm*lcm的電流環，其電磁輻射將不滿足FCC B限值要求。目前的LED路燈，在功率為 250W,輸出電壓為36V時，輸出的電流為7A,以紋波5%計算，則脈動電流為350mA; 在路燈中，電流回路的面積一般為50cm*40cm，工作頻率在100ΚΗζ_1ΜΗΖ，此時的電 磁兼容將成為設計中的難點，而本發明可以解決這一問題。整個電路包括3個并聯的LED串，每一個LED串由6個串聯的LED構成；在每 一個LED串內，有相鄰的兩個LED構成互相抵消的一對電流回路，從而提高電路的電磁 兼容性能；與驅動板連接的走線，橫向和縱向各自構造一個磁場互相抵消的電流回路； 由于使用單層布線的鋁基板，因此采用0歐姆電阻對線路進行橋接。在液晶電視動態LED背光源中，使用的LED個數較多(100個左右)，同 時液晶電視尺寸大，目前的暢銷產品一般大于37英寸，則電流回路的面積一般大于 100Cm*75Cm;同時，動態背光源中的電流，是全量程的動態變化，0-4A，即脈動電流 為4A，而頻率根據動態背光源的要求，一般在50KHZ-10MHZ，此時的電磁兼容也是一 個設計的難點。本發明對交流供電的設備也可以使用。
權利要求
1.一種有效提高大功率器件電磁兼容(EMC)的設計方法，包括4個部分單個大 功率器件的PCB模塊、多個大功率器件串聯的PCB模塊、由多個輸入輸出端口器件串聯 構成的PCB模塊、輸入或者輸出有一端共用構成的PCB模塊；單個大功率器件的PCB模塊根據電流的方向，整個回路在PCB上設計為偶數個可以 互相抵消的電磁場子回路，從而降低本身的電磁輻射，有效提高對外界電磁干擾的抵抗 能力；多個大功率器件串聯的PCB模塊，每一個器件自身構造一對互相抵消的電磁場，即 將器件放置在構造的2個互相抵消的電磁場子回路之間；或者與臨近器件構成一對互相 抵消的電磁場，即2個器件分別放置在互相抵消的電磁場子回路上；由多個輸入輸出端口器件串聯構成的PCB模塊，輸入輸出獨立運作的，可以將每一 路看作單獨的器件，構造自己互相抵消的電磁場回路；即一個輸入對應一個輸出，整個 大功率器件看作是獨立的多個大功率器件的組合；輸入或者輸出有一端共用構成的PCB模塊，輸入不同而回路共地的，或者共輸入而 回路各自不同的，可以將輸入與地線分別構造互相抵消的電磁場；輸入和輸出之間不存 在對應關系，而且輸入端或者輸出端僅有一個端口的輸入是獨立的，則將不獨立的端口 連接在一起，作為共輸入或者共輸出端口。
2.根據權利要求1所述設計方法，其特征為互相抵消的電磁場子回路的總數為偶 數，拓撲結構可以是各種幾何形狀。
3.根據權利要求1所述設計方法，其特征為互相抵消的電磁場子回路互相臨近， 而且回路線包圍的面積相同；可以在單層或者多層電路板上實現，并且電路板的材質可 以是多樣的；可以利用0歐姆電阻(或者固定形狀的導線)以及電路板的過孔實現線路 的連接，優化的設計是在一對互相抵消的子回路中，每一個子回路有相同的過孔或者0 歐姆電阻(或者固定形狀的導線)結構；而且回路在立體范圍內包圍的面積相同。
4.根據權利要求1所述設計方法，其特征為互相抵消的電磁場回路中大功率器件 內部的電流走線，使用等效電流中分線，以計算包圍的面積和確認子回路的幾何形狀； 等效電流中分線根據器件內部芯片以及封裝的圖像檢視得到，或者根據實驗數據獲得； 當器件的尺寸與子回路的線路長度相比很小時，可以采用器件輸入端口與輸出端口的直 線近似。
全文摘要
本發明涉及一種提高大功率器件或者大功率器件模組電磁兼容性能的設計方法，包括4個部分單個大功率器件的PCB模塊、多個大功率器件串聯的PCB模塊、由多個輸入輸出端口器件串聯構成的PCB模塊、輸入或者輸出有一端共用構成的PCB模塊。利用電流回路本身構造互相抵消的多個電磁場，達到高性能EMC的目標。
文檔編號H05K1/02GK102014602SQ20101059383
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者尹登慶 申請人:深圳宏伍智能光電有限公司