1引言
供電電源系統(tǒng)采用的高頻變壓器和電感器，如陰極射線管（CRT）顯示器用的回掃變壓器，通常，其幅射磁場(chǎng)很強(qiáng)，但因?yàn)檫@種變壓器的工作頻率與CRT的行偏轉(zhuǎn)頻率一致，故其輻射磁場(chǎng)對(duì)視覺(jué)效果不會(huì)造成明顯的影響。然而，在一些超高分辨率的CRT顯示器中，由于行偏轉(zhuǎn)頻率隨著高速掃描而提高，電源變壓器的工作頻率不能與其保持一致，供電電源只能在比CRT掃描頻率低的某一頻率工作。這種情況下，即使電源的工作頻率完全與工作在CRT掃描頻率的某一諧波頻率相一致，電源變壓器的電磁輻射依然會(huì)對(duì)CRT顯示器的圖象造成明顯的干擾，使視覺(jué)效果變差，工作頻率越高，干擾越顯著。
對(duì)高頻電源變壓器進(jìn)行電磁屏蔽，多數(shù)設(shè)計(jì)成將變壓器整體地封閉在一個(gè)密封的金屬盒內(nèi)，有時(shí)把驅(qū)動(dòng)電路的部件也包括在內(nèi)。采用這種屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，為防止在高壓繞組和金屬盒內(nèi)之間可能產(chǎn)生的飛弧，兩者中間要留有足夠大的空隙。所以，這種屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽效果是不理想的，同時(shí)還在CRT顯示器中占據(jù)相當(dāng)大的空間。再一種屏蔽結(jié)構(gòu)是將變壓器整體地灌封在具有高介電常數(shù)的絕緣材料中，形成一體化無(wú)間隙結(jié)構(gòu)。這種灌注成整體結(jié)構(gòu)的問(wèn)題是：要使灌封達(dá)到無(wú)間隙，工藝操作上有相當(dāng)難度；由于以環(huán)氧樹(shù)脂為代表的灌封材料的位移電荷在封裝材料表面形成高電位，將通過(guò)較低介電常數(shù)的空氣向有足夠電位差的表面形成飛弧。
2屏蔽方式與設(shè)計(jì)
2.1屏蔽方式
本設(shè)計(jì)所采用的高頻電源變壓器的屏蔽結(jié)構(gòu)由三部分組成：磁路、安裝在磁路上的繞組、外表面層的等場(chǎng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的屏蔽罩，其包括大部分在電氣特性上與磁路完全一致的連續(xù)磁環(huán)路及部分繞組組件。同時(shí)，為了防止飛弧，還要在繞組部件有較高電場(chǎng)強(qiáng)度表面一定的距離上，用空氣隙和環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)增加強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域的屏蔽層厚度。
這里介紹這種屏蔽的一個(gè)典型設(shè)計(jì)實(shí)例：在緊靠高頻變壓器繞組較低電場(chǎng)區(qū)域設(shè)置一個(gè)電氣特性上連續(xù)的屏蔽環(huán)路；在較高電場(chǎng)區(qū)域靠近繞組的外圍設(shè)置另一個(gè)電氣特性上連續(xù)的屏蔽環(huán)路，它應(yīng)與繞組保持足夠的空間距離，以防止屏蔽環(huán)內(nèi)部電介質(zhì)（這里指空氣與環(huán)氧樹(shù)脂）電擊穿。這樣，便可從選定等場(chǎng)強(qiáng)的外形并結(jié)合適當(dāng)選擇電氣特性上連續(xù)的環(huán)路數(shù)、屏蔽環(huán)的形狀和其間距，以使高頻電源變壓器得到比較完善的屏蔽效果。在此結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，我們可以從適當(dāng)變化屏蔽環(huán)的尺寸和布局，為變壓器提供一個(gè)分布式散熱器，增強(qiáng)變壓器的冷卻效果。
2.2屏蔽設(shè)計(jì)及說(shuō)明
圖1所示為高頻電源變壓器及其屏蔽的基本結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布圖。圖中，剖面(50)上可以看到磁路(52)通過(guò)圓柱形繞組(56)和一個(gè)或幾個(gè)低壓線圈(64)，以及次級(jí)高壓線圈(66)。高壓線圈(66)是與其它線圈(62)、(64)分開(kāi)的，沿著繞組(56)的長(zhǎng)度方向以線性分布繞制，結(jié)合線圈(62)、(64)的布局及磁路(52)的結(jié)構(gòu)，形成了圖1(b)所示的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況；沿圓柱形繞組(56)長(zhǎng)度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖1(b)之(80)所示。
線圈(62)和(66)制成以后，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌封(74)，以形成變壓器的機(jī)械支撐，電氣絕緣和有關(guān)防護(hù)。初級(jí)繞組(62)和低壓線圈(64)在環(huán)氧樹(shù)脂(74)內(nèi)的一端設(shè)計(jì)連續(xù)引腳(76)，與印制電路(PCB)(78)相連接。高壓線圈(66)的“低”壓端(68)，通過(guò)引線與PCB連接；高壓線圈的“高”壓端(70)通過(guò)封固在環(huán)氧樹(shù)脂中的高壓二極管(72)與外電路或CRT相連接。
由圖1(b)電場(chǎng)分布曲線(80)可見(jiàn)，變壓器的最大電場(chǎng)強(qiáng)度在靠近繞組(56)(見(jiàn)圖1(a)所示)末端處，而不是在其邊緣。
圖2所示為這種屏蔽結(jié)構(gòu)的分解示意圖(100)。圖1所示的變壓器(50)的剖面圖中包含的磁路(52A)是(110)和(112)兩部分緊密對(duì)接的鐵氧體，在其結(jié)合部位(120)和(122)處留有適宜的氣隙，絕緣導(dǎo)線(108)把CRT（圖中未畫(huà)出）和圖1中所示出的二極管(72)連續(xù)起來(lái)。普通的U型屏蔽罩(130)圍繞磁心(52A)延伸，把繞組(56)的外側(cè)部分的磁路覆蓋住，并包括了氣隙(120)在內(nèi)也覆蓋了。
第二磁路的屏蔽罩(140)由第一電氣特性連接環(huán)(150)和第二電氣特性連接環(huán)(160)組成，它們以銅箔或其它金屬制作。二個(gè)環(huán)由屏蔽片(154)相連，并選用一個(gè)合適的距離間隔(170)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，環(huán)路(150)和(160)的寬度和相隔距離(170)各占繞組(56)長(zhǎng)度的三分之一。屏蔽罩(140)延伸到整個(gè)變壓器(150A)和另一個(gè)屏蔽罩(130)，其中第一個(gè)環(huán)(150)緊貼繞組部件外表面，在低端(68A)接觸處有足夠厚度的環(huán)氧樹(shù)脂層。第二環(huán)(160)圍繞繞組的高端與繞組間保持有足夠大的空間(其間或者充有其它介質(zhì))，以防止環(huán)氧樹(shù)脂表面(74)與屏蔽環(huán)(160)之間產(chǎn)生飛弧。對(duì)不同的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，相應(yīng)的電氣連接環(huán)的數(shù)目和排布也不相同，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，環(huán)的直徑越大。第一個(gè)環(huán)(150)和第二個(gè)環(huán)(160)包圍整個(gè)磁路，環(huán)內(nèi)磁通量的總和為零，故屏蔽效果比較理想。
3屏蔽材料選擇與屏蔽罩設(shè)計(jì)
眾所周知，電磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾影響可以通過(guò)磁屏蔽、磁隔離和轉(zhuǎn)移元件等產(chǎn)生的作用使其減至最小或消除。磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)磁材料比其通過(guò)空氣或其它介質(zhì)材料時(shí)更容易被轉(zhuǎn)移。所以，常常使用高磁導(dǎo)率的磁性材料來(lái)制成環(huán)狀或密封的屏蔽元件。
3.1屏蔽材料的類型
屏蔽效果是根據(jù)設(shè)備或元器件被屏蔽后磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減的程度來(lái)度量的。屏蔽后磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減率或衰減量是材料的磁導(dǎo)率、厚度和屏蔽罩的尺寸的函數(shù)。高磁導(dǎo)率材料比低磁導(dǎo)率材料昂貴，但如果用單層高磁導(dǎo)率材料的屏蔽效果與多層低磁導(dǎo)率材料的屏蔽效果相同，則可能選用厚度薄的高磁導(dǎo)率材料更經(jīng)濟(jì)。
目前用于屏蔽的主要磁性材料見(jiàn)表1。
3.2屏蔽材料的選擇
如上所述，屏蔽材料的磁導(dǎo)率、屏蔽罩的幾何形狀，材料的厚度等都影響磁屏蔽的效果，所以，選用屏蔽材料的原則是：
a.要使外部磁場(chǎng)得到最大衰減，需要用高磁導(dǎo)率(μ)的材料；
b.磁屏蔽的效果也是屏蔽罩材料壁厚對(duì)屏蔽罩直徑（在采用矩形屏蔽罩時(shí)為其對(duì)角線）之比率（t/D）的函數(shù)。
c.如果外部的干擾磁場(chǎng)太高，屏蔽罩的衰減作用將減小。這是因?yàn)橥獠看艌?chǎng)太高時(shí)，磁性材料將接近于磁飽和狀態(tài)。
d.在通常情況下，用厚的金屬材料制造屏蔽罩是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)槠涑杀靖??？梢杂帽⌒徒饘俨芎?jiǎn)單地纏繞在受磁場(chǎng)影響的元件上來(lái)替代屏蔽罩。
3.3屏蔽罩的設(shè)計(jì)
a.進(jìn)行屏蔽罩設(shè)計(jì)時(shí)，需要以下一些數(shù)據(jù)：
?、賹?duì)屏蔽材料能夠衰減多少磁場(chǎng)強(qiáng)度必須進(jìn)行測(cè)量或估算得出數(shù)據(jù)。
②為了得到良好的磁屏蔽效果，必須挑選最合適的屏蔽罩形狀。典型的或相對(duì)可被選用的幾何形狀包括長(zhǎng)圓柱體、矩形殼體；另有球體、平板或圓錐體也會(huì)被采用。
b.設(shè)計(jì)屏蔽罩時(shí)，必須首先確定磁通密度值（高斯），同時(shí)以此選擇屏蔽材料的厚度。因?yàn)槠帘尾牧系?mu;值與β值的分布圖是非線性關(guān)系，作用于屏蔽罩的磁通密度必須使材料達(dá)到其峰值磁導(dǎo)率，例如坡莫合金和mumetal的磁通密度應(yīng)在3600高斯左右。
屏蔽材料的厚度可由以下公式計(jì)算確定：
t＝1.25DH/B （英寸）
式中，D是衰減率，由屏蔽前的磁場(chǎng)強(qiáng)度除屏蔽后的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到。鎳含量高的磁性材料的μ值最小可達(dá)到80000。
c.設(shè)計(jì)屏蔽罩時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
?、賹?duì)于強(qiáng)度很高的磁場(chǎng)，可以使用多層材料制作屏蔽罩，最靠近強(qiáng)磁場(chǎng)的那一層材料應(yīng)是能夠削弱較大磁通量的合金材料，如48合金、magnesill；而第二層應(yīng)采用高磁導(dǎo)率的材料如坡莫合金；如果有條件，應(yīng)允許磁場(chǎng)發(fā)射源和最靠近它的那一層屏蔽材料之間的空隙最?。?/2″左右）。在設(shè)計(jì)與制造習(xí)慣上，于多層屏蔽材料的每層之間是用聚酯薄膜相間隔的。
?、谌绻帘握謱?duì)屏蔽的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)不了封閉磁場(chǎng)發(fā)射源雜散磁場(chǎng)的目的，則常常采用平板插在它們兩者之間。如果平板的高度與寬度比磁場(chǎng)發(fā)射源和要求屏蔽物的尺寸大得多，則可以封閉雜散磁場(chǎng)。
?、廴绻煤穸刃∮?.006″的金屬板作屏蔽材料，則一般是用于樣機(jī)上，因?yàn)檫@種厚度便于手工成型。如果是批量生產(chǎn)用機(jī)械方法制作屏蔽罩，應(yīng)該采用較厚的材料。但應(yīng)注意，任何較強(qiáng)力的機(jī)械作業(yè)如折彎、沖壓、焊接等都會(huì)使材料產(chǎn)生應(yīng)力，從而使材料性能下降，這就需要通過(guò)合適溫度的退火來(lái)改善。
④通常，在低頻（600Hz左右）狀態(tài)，屏蔽罩的長(zhǎng)度對(duì)直徑的比率大于3時(shí)，把屏蔽材料的厚度從0.014增厚至0.050，則屏蔽效果增強(qiáng)；如果比率低于3，增加材料厚度至0.025時(shí)，則影響磁場(chǎng)衰減的程度很小。