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(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路和電路板設(shè)計(jì)領(lǐng)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(shè)計(jì)方法。電磁兼容性能的提高是通過構(gòu)造一對對互相抵消 的子回路實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的感應(yīng)電流大小相等，方向相反，降低了外界電磁場干擾的強(qiáng)度。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的EMC設(shè)計(jì)，在PCB板方面，主要通過地線以及信號線的布線規(guī)則進(jìn)行保 證，如設(shè)計(jì)單獨(dú)的地線網(wǎng)絡(luò)、大信號與小信號分開等；在功能復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)中，先 按照功能對電路板進(jìn)行分區(qū)，在分區(qū)之間采用走線連接，避免各個不同功能區(qū)對其他分 區(qū)的電磁干擾降低，同時不受其他分區(qū)的電磁干擾影響，保證正常工作。在以上設(shè)計(jì)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(chǎn)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(yīng)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(jìn)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(dāng)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(tǒng)方法的缺點(diǎn)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(chǎn)品破損造成的電磁干擾對其他部件產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容
鑒于上述方法的缺陷，本發(fā)明通過針對每一個電流回路構(gòu)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(fā)明是通過以下方法實(shí)現(xiàn)的。識別PCB上內(nèi)一個電流回路；
在每一個電流回路上，構(gòu)造電磁場方向相反的子回路；
計(jì)算、測量或者近似的方法，獲得器件的等效電流中分線；
計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)的大功率器件的驅(qū)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(rèn)為是保持電磁靜默的組件，其電磁干擾已經(jīng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。大功率 器件是需要裸露在外工作，無法進(jìn)行金屬材料的電磁屏蔽。連接關(guān)系為供電電源模組從Al端口輸出電流，經(jīng)過A2、A3、A4、A5、 A6、A7到達(dá)大功率器件的正輸入端，電流流經(jīng)大功率器件，對大功率器件進(jìn)行驅(qū)動，電 壓降低，從B7端口流出，經(jīng)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(diǎn)，實(shí)際上兩條走線在電路板的不同層面上；S3為 計(jì)算回路面積的虛擬的交叉點(diǎn)，將線段B3B4延長后與線段A4A5的交點(diǎn)。正常工作時，大功率器件內(nèi)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(gòu)成一個電流回路，其引發(fā)的磁場方向迎面而來；B4、 B5、S2、A5、S3構(gòu)成另外一個電流回路，其引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)的電磁場的大小與回路的面積有關(guān)， 當(dāng)兩個回路的面積相等時，兩個回路產(chǎn)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(gòu)成的 電流回路，其引發(fā)的磁場方向迎面而來；B3、B4、S3、A4、A3構(gòu)成的電流回路，其引 發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去。當(dāng)兩個回路的面積大小相等時，兩個回路產(chǎn)生的電磁場互相抵 消。當(dāng)電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)電流互相抵消，不對大 功率器件的工作造成影響。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)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(dá)到 EMC的要求。雖然器件內(nèi)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(shè)計(jì)上，可以應(yīng)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)。當(dāng)電路板的尺寸遠(yuǎn)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(xiàn)在的電磁兼容(EMC)結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 針對單個大功率器件構(gòu)造的電磁抵消回路_多層PCB結(jié)構(gòu)；圖3 針對單個大功率器件構(gòu)造的電磁抵消回路_單層PCB結(jié)構(gòu)； 圖4 針對偶數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路_多層PCB結(jié)構(gòu)； 圖5:針對偶數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路_單層PCB結(jié)構(gòu)； 圖6 針對奇數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路_多層PCB結(jié)構(gòu)； 圖7 針對奇數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路_單層PCB結(jié)構(gòu)； 圖8 針對多個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路_多層PCB結(jié)構(gòu)； 圖9:針對多個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路_單層PCB結(jié)構(gòu)； 圖IOA :針對多輸入多輸出大功率器件串聯(lián)構(gòu)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(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路-單個串聯(lián)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(gòu)造的電磁抵消回路； 圖12 在大功率LED照明和背光源中的應(yīng)用示例。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的詳述。如圖3所示單層PCb結(jié)構(gòu)上針對單個大功率器件構(gòu)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(nèi)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(gòu)成一個電流回路，其引發(fā)的磁場方向迎面 而來；B4、B5、S2、A5、S3構(gòu)成另外一個電流回路，其引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)的電磁場的大小與回路 的面積有關(guān)，當(dāng)兩個回路的面積相等時，兩個回路產(chǎn)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(gòu)成的 電流回路，其引發(fā)的磁場方向迎面而來；B3、B4、S3、A4、A3構(gòu)成的電流回路，其引 發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去。當(dāng)兩個回路的面積大小相等時，兩個回路產(chǎn)生的電磁場互相抵 消。當(dāng)電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)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(diǎn)Sl和S2必須使用0歐姆電阻或者固定形狀 的導(dǎo)線Rl對其中一條走線進(jìn)行橋接，如圖3中對走線A2A3進(jìn)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(jié)構(gòu)的針對偶數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路。 連接關(guān)系為電流從供電電源模組Bl輸出，經(jīng)過B2、B3、B4到達(dá)大功率器件1的輸入 端Pl+，產(chǎn)生電壓降到達(dá)大功率器件1的輸出端P1-，驅(qū)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(jīng)過大功率器件2，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅(qū)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(jīng)過大 功率器件3，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅(qū)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(jīng)過大功率器件4，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅(qū)動大功率器件4。
大功 率器件4輸出的電流，經(jīng)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(diǎn)。S5為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交點(diǎn)，S6為電流路徑 B2B3與A3A2的虛擬交點(diǎn)。虛擬交點(diǎn)是為了計(jì)算回路包圍的面積構(gòu)造的交叉點(diǎn)，大功率器件的電流中分線 是大功率器件工作時，電流在內(nèi)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去；由大功率器件1和構(gòu)造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當(dāng)電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)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(jié)構(gòu)的針對偶數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路。 連接關(guān)系為電流從供電電源模組Bl輸出，經(jīng)過B2、B3、B4到達(dá)大功率器件1的輸入 端Pl+，產(chǎn)生電壓降到達(dá)大功率器件1的輸出端P1-，驅(qū)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(jīng)過大功率器件2，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅(qū)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(jīng)過大 功率器件3，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅(qū)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(jīng)過大功率器件4，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅(qū)動大功率器件4。大功率器件4輸出的電流，經(jīng)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(diǎn)。S5為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交點(diǎn)，S6為電流路徑 B2B3與A3A2的虛擬交點(diǎn)。虛擬交點(diǎn)是為了計(jì)算回路包圍的面積構(gòu)造的交叉點(diǎn)，大功率器件的電流中分線 是大功率器件工作時，電流在內(nèi)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去；由大功率器件1和構(gòu)造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當(dāng)電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)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(diǎn)S6必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導(dǎo) 線Rl對其中一條走線進(jìn)行橋接，如圖5中對走線A2A3進(jìn)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(jié)構(gòu)的針對奇數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路。 連接關(guān)系為電流從供電電源模組Bl輸出，經(jīng)過B2、B3、B4到達(dá)大功率器件1的輸入 端Pl+，產(chǎn)生電壓降到達(dá)大功率器件1的輸出端P1-，驅(qū)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(jīng)過大功率器件2，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅(qū)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(jīng)過大 功率器件3，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅(qū)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(jīng)過大功率器件4，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅(qū)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(jīng)過 大功率器件5，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P5-輸出，驅(qū)動大功率器件5。大功率器件5輸出的電流，經(jīng)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(diǎn)。S6為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交 點(diǎn)，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點(diǎn)。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(fā)的磁場方向迎面而來；由大功率器件5和構(gòu)造走線包圍的電 流回路P5-、V6、V7、S5，其引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去；由大功率器件1和構(gòu)造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、 B2、S6、A2、Al引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當(dāng)電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)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(jié)構(gòu)的針對奇數(shù)個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路。 連接關(guān)系為電流從供電電源模組Bl輸出，經(jīng)過B2、B3、B4到達(dá)大功率器件1的輸入 端Pl+，產(chǎn)生電壓降到達(dá)大功率器件1的輸出端P1-，驅(qū)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(jīng)過大功率器件2，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸 出端P2-輸出，驅(qū)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(jīng)過大 功率器件3，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅(qū)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(jīng)過大功率器件4，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的 輸出端P4-輸出，驅(qū)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(jīng)過 大功率器件5，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P5-輸出，驅(qū)動大功率器件5。大功率器件5輸出的電流，經(jīng)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(diǎn)。S6為線段B3B4延長線與線段A4S1的虛擬交 點(diǎn)，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點(diǎn)。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(fā)的磁場方向迎面而來；由大功率器件5和構(gòu)造走線包圍的電 流回路P5-、V6、V7、S5，其引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)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(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去；由大功率器件1和構(gòu)造的走線電流回路B4、Pl+, Si、S5，其引發(fā)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(fā)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(fā)的磁場方向迎面而來；電流回路Bi、B2、S6、A2、Al引發(fā)的 磁場方向遠(yuǎn)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(fā)的磁場大小相同，方向相反，互 相抵消。當(dāng)電路受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)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(diǎn)S7必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導(dǎo) 線Rl對其中一條走線進(jìn)行橋接，如圖7中對走線A2A3進(jìn)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(jié)構(gòu)的多個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路，大功率 器件可以是偶數(shù)個，也可以是奇數(shù)個。連接關(guān)系為電流從供電電源模組Bl輸出，經(jīng) 過B2、B3、B4到達(dá)大功率器件1的輸入端Pl+，產(chǎn)生電壓降到達(dá)大功率器件1的輸出 端P1-，驅(qū)動大功率器件1工作；Pl-經(jīng)過B5、B6與大功率器件2的輸入端P2+連接， 電流經(jīng)過大功率器件2，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P2-輸出，驅(qū)動大功率器件 2 ； P2-經(jīng)過B7、B8與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經(jīng)過大功率器件3，產(chǎn)生電 壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅(qū)動大功率器件3; P3-經(jīng)過B9、BlO與大功 率器件4的輸入端P4+連接，電流經(jīng)過大功率器件4，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出 端P4-輸出，驅(qū)動大功率器件4。大功率器件4 輸出的電流，經(jīng)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(diǎn)。S8為構(gòu)造的電流回路的節(jié)點(diǎn)， SlO為起點(diǎn)B4，與S1A6平行的線段在線段A4A5上的交點(diǎn)，延長線與線段A4S1的虛擬 交點(diǎn)，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點(diǎn)。S6為線段A16A17和線段B9B10的 虛擬交點(diǎn)，S4為A12A13與線段B7B8的虛擬交點(diǎn)，S4為A8A9與線段B5B6的虛擬交 點(diǎn)，S9為A2A3與線段B2B3的虛擬交點(diǎn)。工作原理為圍繞大功率器件4，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回 路P4-、BlU S8、A20、A19、S7引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S6、BIO、P4+、 S7、A18、A17引發(fā)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(fā)的磁場互相抵消。圍繞大功率器件3，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回路P3-、B9、 S6、A16、A15、S5引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S4、B8、P3+、S5、A14、A13 引發(fā)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(fā)的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件2，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回路P2-、B7、 S4、A12、All、S3引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S2、B6、P2+、S3、A10、A9 引發(fā)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(fā)的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件1，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回路PI-、B5、S2、A8、A7、Sl引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S10、B4、Pl+, Si、A6、A5弓丨
發(fā)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(fā)的磁 場互相抵消。單獨(dú)構(gòu)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S9、B3、B4、S10、A4、A3引發(fā)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(fā)的磁場互相抵消。如圖9所示單層PCB結(jié)構(gòu)的多個大功率器件串聯(lián)構(gòu)造的電磁抵消回路，大功率 器件可以是偶數(shù)個，也可以是奇數(shù)個。連接關(guān)系為電流從供電電源模組Bl輸出，經(jīng) 過B2、B3、B4到達(dá)大功率器件1的輸入端Pl+，產(chǎn)生電壓降到達(dá)大功率器件1的輸出 端P1-，驅(qū)動大功率器件1工作；Pl-經(jīng)過B5、B6與大功率器件2的輸入端P2+連接， 電流經(jīng)過大功率器件2，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出端P2-輸出，驅(qū)動大功率器件 2； P2-經(jīng)過B7、B8與大功率器件3的輸入端P3+連接，電流經(jīng)過大功率器件3，產(chǎn)生電 壓降，從大功率器件的輸出端P3-輸出，驅(qū)動大功率器件3; P3-經(jīng)過B9、BlO與大功 率器件4的輸入端P4+連接，電流經(jīng)過大功率器件4，產(chǎn)生電壓降，從大功率器件的輸出 端P4-輸出，驅(qū)動大功率器件4。大功率器件4 輸出的電流，經(jīng)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(diǎn)。S8為構(gòu)造的電流回路的節(jié)點(diǎn)， SlO為起點(diǎn)B4，與S1A6平行的線段在線段A4A5上的交點(diǎn)，延長線與線段A4S1的虛擬 交點(diǎn)，S7為電流路徑B2B3與A3A2的虛擬交點(diǎn)。S6為線段A16A17和線段B9B10的 虛擬交點(diǎn)，S4為A12A13與線段B7B8的虛擬交點(diǎn)，S4為A8A9與線段B5B6的虛擬交 點(diǎn)，S9為A2A3與線段B2B3的虛擬交點(diǎn)。工作原理為圍繞大功率器件4，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回 路P4-、BlU S8、A20、A19、S7引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S6、BIO、P4+、 S7、A18、A17引發(fā)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(fā)的磁場互相抵消。圍繞大功率器件3，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回路P3-、B9、 S6、A16、A15、S5引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S4、B8、P3+、S5、A14、A13 引發(fā)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(fā)的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件2，單獨(dú)構(gòu)成一對互相抵消的電流回路。電流回路P2-、B7、 S4、A12、All、S3引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S2、B6、P2+、S3、A10、A9 引發(fā)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(fā)的 磁場互相抵消。圍繞大功率器件1，單獨(dú)構(gòu)成一對互相 抵消的電流回路。電流回路PI-、B5、 S2、A8、A7、Sl引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S10、B4、Pl+, Si、A6、A5弓丨 發(fā)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(fā)的磁 場互相抵消。
單獨(dú)構(gòu)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路S9、B3、B4、S10、A4、A3引發(fā)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(fā)的磁場互相抵消。當(dāng)電路 受到外界電磁場干擾時，如果在一個回路上產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，則在對 應(yīng)的回路上產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的感應(yīng)電流，從而感應(yīng)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(diǎn)S9必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導(dǎo) 線Rl對其中一條走線進(jìn)行橋接，如圖9中對走線A2A3進(jìn)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(diǎn)S2必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導(dǎo)線R2 對其中一條走線進(jìn)行橋接，如圖9中對走線B5B6進(jìn)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(diǎn)S4必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導(dǎo)線R3對其中 一條走線進(jìn)行橋接，如圖9中對走線B7B8進(jìn)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(diǎn)S6必須使用0歐姆電阻或者固定形狀的導(dǎo)線R4對其中一 條走線進(jìn)行橋接，如圖9中對走線B9B10進(jìn)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(lián)構(gòu)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(gòu)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(guān)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(jīng)過大功率器件模組1中器件B產(chǎn)生壓降，從端口 PlB-離開，驅(qū)動 大功率器件模組1中器件B工作；PlB-與P2B+連接，電流經(jīng)過大功率器件模組2中器件 B產(chǎn)生壓降，從端口 P2B-離開，驅(qū)動大功率器件模組2中器件B工作；P2B-與P3B+連 接，電流經(jīng)過大功率器件模組3中器件B產(chǎn)生壓降，從端口 P3B-離開，驅(qū)動大功率器件 模組3中器件B工作；P3B-與P4B+連接，電流經(jīng)過大功率器件模組4中器件B產(chǎn)生壓 降，從端口 P4B-離開，驅(qū)動大功率器件模組4中器件B工作；電流離開端口 P4B-后， 經(jīng)過設(shè)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(jīng)過大功率器件模組1中器件G產(chǎn)生壓降，從端口 PlG-離開，驅(qū)動大功率器件 模組1中器件G工作；PlG-與P2G+連接，電流經(jīng)過大功率器件模組2中器件G產(chǎn)生壓 降，從端口 P2G-離開，驅(qū)動大功率器件模組2中器件G工作；P2G-與P3G+連接，電 流經(jīng)過大功率器件模組3中器件G產(chǎn)生壓降，從端口 P3G-離開，驅(qū)動大功率器件模組3 中器件G工作；P3G-與P4G+連接，電流經(jīng)過大功率器件模組4中器件G產(chǎn)生壓降，從 端口 P4G-離開，驅(qū)動大功率器件模組4中器件G工作；電流離開端口 P4G-后，經(jīng)過設(shè) 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(guān)系，通過圖IOB進(jìn)行更加細(xì)致的描述供電 電源模組電流從Al端口輸出，經(jīng)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(jīng)過大功率器件模組1中器件R產(chǎn)生壓降，從端口 PlR-離開，驅(qū) 動大功率器件模組1中器件B工作；PlR-經(jīng)過A7、A8與P2R+連接，電流經(jīng)過大功率器 件模組2中器件R產(chǎn)生壓降，從端口 P2R-離開，驅(qū)動大功率器件模組2中器件R工作；P2R-經(jīng)過A9、AlO與P3R+連接，電流經(jīng)過大功率器件模組3中器件R產(chǎn)生壓降，從端 口 P3R-離開，驅(qū)動大功率器件模組3中器件R工作；P3R-經(jīng)過All、A12與P4B+連 接，電流經(jīng)過大功率器件模組4中器件R產(chǎn)生壓降，從端口 P4R-離開，驅(qū)動大功率器件 模組4中器件R工作；電流離開端口 P4R-后，經(jīng)過SR4、SR3、SR2、SRU B4、B3、 B2設(shè)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(shè)定的回路電流走線的交點(diǎn)， SR3為大功率器件模組3中器件R的電流中分線與設(shè)定的回路電流走線的交點(diǎn)，SR2為大 功率器件模組2中器件R的電流中分線與設(shè)定的回路電流走線的交點(diǎn)，SRl為大功率器 件模組1中器件R的電流中分線與設(shè)定的回路電流走線的交點(diǎn)；Sl為線段A2A3與線段 B2B3的虛擬交點(diǎn)，僅為計(jì)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(gòu)成的電流回路 P3R-、All、A12、P4R+、SR4、SR3，其引發(fā)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(gòu)成的電流回路SR2、P2R+、A9、A10、 P3R+、SR3，其引發(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去。兩個電流回路中電流大小相等，面積相同， 產(chǎn)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(gòu)成的電流回路 PlR-> A7、A8、P2R+、SR2、SRl,其引發(fā)的磁場方向迎面而來；大功率器件模組1中 的器件R與設(shè)定的走線構(gòu)成的電流回路B4、A4、A5、A6、PlR+, SRl,其引發(fā)的磁場 方向遠(yuǎn)離而去。兩個電流回路中電流大小相等，面積相同，產(chǎn)生的磁場大小相等，方向 相反，互相抵消。外部構(gòu)造的走線有2個電流回路電流回路Si、B3、B4、A4、A3，其引發(fā)的 磁場方向遠(yuǎn)離而去；電流回路Al、A2、Si、B2、Bi，其引發(fā)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(chǎn)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(jié)構(gòu)針對多輸入共地線大功率器件構(gòu)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(dú)立的端口，輸出采用共地線 結(jié)構(gòu)的模組。連接關(guān)系如下
電流從供電電源模組端口 Al輸出，經(jīng)過A2、A3、A4、PR+,進(jìn)入大功率器件模組 中的器件R，產(chǎn)生電壓降，驅(qū)動器件R，從A5(PGND)流出，經(jīng)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(jīng)過B2、B3、B4、PG+,進(jìn)入 大功率器件模組中的器件G，產(chǎn)生電壓降，驅(qū)動器件G，從B5(PGND)流出，經(jīng)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(jīng)過C2、C3、C4、 PB+,進(jìn)入大功率器件模組中的器件B，產(chǎn)生電壓降，驅(qū)動器件B，從C5(PGND)流出， 經(jīng)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(diǎn)，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(diǎn)，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(diǎn)。Sl為線段C2C3與線段A6A7的虛擬交點(diǎn)，S2為線段B2B3與線段A6A7的虛擬交點(diǎn)，S3為線段A2A3與線段A6A7的虛擬交點(diǎn)，僅作為計(jì)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去， 電流回路Al、A2、S3、A7、A8引發(fā)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(chǎn)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離而去，電流回路Bi、B2、S2、A7、A8引發(fā) 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(chǎn)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(fā)的磁場方向遠(yuǎn)離 而去，電流回路Cl、C2、Si、A7、A8引發(fā)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(chǎn)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(yīng)用示例。參照標(biāo)準(zhǔn)，100mA, 50MHz的 lcm*lcm的電流環(huán)，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(jì)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(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，而本發(fā)明可以解決這一問題。整個電路包括3個并聯(lián)的LED串，每一個LED串由6個串聯(lián)的LED構(gòu)成；在每 一個LED串內(nèi)，有相鄰的兩個LED構(gòu)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(qū)動板連接的走線，橫向和縱向各自構(gòu)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(jìn)行橋接。在液晶電視動態(tài)LED背光源中，使用的LED個數(shù)較多(100個左右)，同 時液晶電視尺寸大，目前的暢銷產(chǎn)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(tài)背光源中的電流，是全量程的動態(tài)變化，0-4A，即脈動電流 為4A，而頻率根據(jù)動態(tài)背光源的要求，一般在50KHZ-10MHZ，此時的電磁兼容也是一 個設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本發(fā)明對交流供電的設(shè)備也可以使用。
權(quán)利要求
1.一種有效提高大功率器件電磁兼容(EMC)的設(shè)計(jì)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(lián)的PCB模塊、由多個輸入輸出端口器件串聯(lián) 構(gòu)成的PCB模塊、輸入或者輸出有一端共用構(gòu)成的PCB模塊；單個大功率器件的PCB模塊根據(jù)電流的方向，整個回路在PCB上設(shè)計(jì)為偶數(shù)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(lián)的PCB模塊，每一個器件自身構(gòu)造一對互相抵消的電磁場，即 將器件放置在構(gòu)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(gòu)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(lián)構(gòu)成的PCB模塊，輸入輸出獨(dú)立運(yùn)作的，可以將每一 路看作單獨(dú)的器件，構(gòu)造自己互相抵消的電磁場回路；即一個輸入對應(yīng)一個輸出，整個 大功率器件看作是獨(dú)立的多個大功率器件的組合；輸入或者輸出有一端共用構(gòu)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(gòu)造互相抵消的電磁場；輸入和輸出之間不存 在對應(yīng)關(guān)系，而且輸入端或者輸出端僅有一個端口的輸入是獨(dú)立的，則將不獨(dú)立的端口 連接在一起，作為共輸入或者共輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述設(shè)計(jì)方法，其特征為互相抵消的電磁場子回路的總數(shù)為偶 數(shù)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是各種幾何形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，并且電路板的材質(zhì)可 以是多樣的；可以利用0歐姆電阻(或者固定形狀的導(dǎo)線)以及電路板的過孔實(shí)現(xiàn)線路 的連接，優(yōu)化的設(shè)計(jì)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(dǎo)線)結(jié)構(gòu)；而且回路在立體范圍內(nèi)包圍的面積相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述設(shè)計(jì)方法，其特征為互相抵消的電磁場回路中大功率器件 內(nèi)部的電流走線，使用等效電流中分線，以計(jì)算包圍的面積和確認(rèn)子回路的幾何形狀； 等效電流中分線根據(jù)器件內(nèi)部芯片以及封裝的圖像檢視得到，或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得； 當(dāng)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(fā)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(shè)計(jì)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(lián)的PCB模塊、由多個輸入輸出端口器件串聯(lián)構(gòu)成的PCB模塊、輸入或者輸出有一端共用構(gòu)成的PCB模塊。利用電流回路本身構(gòu)造互相抵消的多個電磁場，達(dá)到高性能EMC的目標(biāo)。
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(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者尹登慶 申請人:深圳宏伍智能光電有限公司