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直流開(kāi)關(guān)電源PCB板的EMI抑制與抗干擾設計
發(fā)布者:揚州明生電子科技有限公司
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開(kāi)關(guān)電源PCB板的EMI抑制與抗干擾設計


摘要:隨著(zhù)現代科技的飛速發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的集成度越來(lái)越大,其核心印制電路板(PCB)布板密度也越來(lái)越高,各類(lèi)電子元件使用所帶來(lái)的EMI問(wèn)題也日趨嚴重。PCB板設計的好壞對抗干擾能力影響很大,直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本。文章論述了開(kāi)關(guān)電源電路PCB板的EMI產(chǎn)生原因,并對如何印制與抗干擾給出一定的解決方法。
關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源,PCB,EMI抑制與抗干擾,電磁兼容,直流開(kāi)關(guān)電源



 印制電路板(PCB)是電子工業(yè)的重要部件之一,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣連接的提供者。而所有開(kāi)關(guān)電源設計的最后一步就是PCB線(xiàn)路設計,如果這部分設計不當,也會(huì )導致電源工作不穩定,產(chǎn)生過(guò)量的EMI(電磁干擾)。
 
EMI分類(lèi)及產(chǎn)生原因
2.1 EMI分類(lèi)
對于EMI,可以按照電磁干擾的途徑來(lái)分為輻射干擾、傳導干擾和耦合干擾。
2.1.1 輻射干擾
存在于通訊設備或者計算機操作設備中,有部分干擾源是借由設備的線(xiàn)路或無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)發(fā)射出來(lái),在某些情況下,可能因為振幅(干擾)過(guò)大,而造成無(wú)線(xiàn)電傳輸中斷或是計算機設備故障等問(wèn)題。
2.1.2  傳導干擾
是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合諧波干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。
2.1.3  耦合干擾
是電磁能量通過(guò)各種途徑的耦合而形成的干擾。
2.2  EMI產(chǎn)生原因
EMI是如何產(chǎn)生的?忽略自然干擾的影響,在電子電路系統中我們主要考慮是電壓瞬變和信號的回流引起。
2.2.1 電壓瞬變
對于高速的數字器件來(lái)說(shuō),產(chǎn)生高頻交流信號時(shí)的電壓瞬變是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)主要原因。數字信號在開(kāi)關(guān)輸出時(shí)產(chǎn)生的頻譜不是單一的,而是融合了很多高次諧波分量,這些諧波的振幅由器件的上升或者下降時(shí)間來(lái)決定,信號上升和下降速度越快,即開(kāi)關(guān)頻率越高,則產(chǎn)生的能量越多。所以如果器件在很短的時(shí)間內完成很大的電壓瞬變,將會(huì )產(chǎn)生嚴重的電磁輻射,這個(gè)電磁能量的外泄就會(huì )造成電磁干擾問(wèn)題。
2.2.2 信號回流
任何信號的傳輸都存在一個(gè)閉環(huán)的回路,電流最終會(huì )流到驅動(dòng)電源上,形成閉環(huán)回路,而環(huán)路的大小卻和EMI的產(chǎn)生有著(zhù)很大的關(guān)系。
每一個(gè)環(huán)路可以等效為一個(gè)天線(xiàn),環(huán)路數量或者面積越大,引起的EMI也越強。交流信號會(huì )自動(dòng)選取阻抗最小的路徑返回驅動(dòng)端,如圖1理想情況下的信號回流示意圖。
 
 
 
圖1   理想情況下的信號回流示意圖
但實(shí)際情況中,信號不可能始終保持理想路徑,特別是在高密度布線(xiàn)的PCB板上,過(guò)孔、縫隙等都可能降低參考平面的理想特性,而表現為更復雜的回流形式。如圖2所示實(shí)際情況中的信號回流示意圖。
 
圖2   實(shí)際情況中的信號回流示意圖
 
EMI印制與抗干擾設計
3.1  常用技術(shù)
    因為所有電子產(chǎn)品都會(huì )不可避免地產(chǎn)生一定的電磁干擾,為了量度設備系統在電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁干擾能力,提出了電磁兼容性即EMC這個(gè)概念來(lái)進(jìn)行EMI抑制與抗干擾的設計。
一般解決PCB板EMC問(wèn)題常用的是隔離技術(shù)。隔離裝置有變壓器、光耦等。
一、變壓器隔離:
1)當假設變壓器初次級之間的寄生電容為100pf時(shí):
I=C×ΔV/Δt=100pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/50
2)當假設變壓器初次級之間的寄生電容為1000pf時(shí):
I=C×ΔV/Δt=1000pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/5
在直流開(kāi)關(guān)電源中1MHZ以上的產(chǎn)生于初級回路的開(kāi)關(guān)諧波噪聲會(huì )通過(guò)變壓器初次級之間的寄生電容Cp向變壓器的次級傳輸。如何來(lái)解決這一問(wèn)題呢?我們可以在變壓器的初次級之間設置屏蔽層,可以減小變壓器初次級之間的寄生電容。在實(shí)際操作中通常是在初級線(xiàn)圈繞好后加一個(gè)屏蔽層再繞次級線(xiàn)圈。
其本質(zhì)是在變壓器中增加屏蔽層,并與初級回路的0V相接,相當于截斷騷擾向后傳遞的路徑,將騷擾源封閉在了較小的環(huán)路內,從而抑制了傳導發(fā)射騷擾與輻射發(fā)射騷擾。
屏蔽效果的好壞關(guān)鍵在于屏蔽層與直流地或直流的高壓端連接是否能保證“零阻抗”。
二、光耦隔離
光耦在電路中很少單獨出現,一般都是多個(gè)光耦并聯(lián)或光耦與變壓器并聯(lián),因此極易造成很大的寄生電容。由于光耦也并非高頻意義上的完全隔離,因此在產(chǎn)品設計中,當干擾施加在光耦的一端時(shí),光耦另一端的信號也應該進(jìn)行濾波處理。
對于具有基極端子的光耦,則在基極端子上并聯(lián)濾波電容,其值一般在100pf以上。對于沒(méi)有基極端子的光耦,則在集電極端子上并聯(lián)濾波電容;
 
3.2  PCB板布線(xiàn)布局
直流開(kāi)關(guān)電源中,有些信號包含豐富的高頻分量,因而任何一條PCB引線(xiàn)都可能成為天線(xiàn),都可能造成干擾。用三個(gè)基本的分布參數來(lái)對它進(jìn)行描述,即電阻、電容和電感。而引線(xiàn)的長(cháng)和寬就影響它的阻抗,進(jìn)而關(guān)系到它們的頻率響應。即使是傳送直流信號的引線(xiàn),也會(huì )從鄰近的引線(xiàn)上引入RF(射頻)信號,使電路發(fā)生故障,或者把這干擾信號再次輻射出去。可以先來(lái)看下PCB中兩個(gè)阻抗的計算:
PCB地平面的阻抗:
高頻時(shí)Z(μΩ)=370;
在DC或低頻時(shí)Z(μΩ)=;
注:其中t表示板厚
從上式中很明顯看出在高頻時(shí)地平面阻抗幾乎與厚度無(wú)關(guān),而在低頻時(shí)則差別很大。
當地平面阻抗很低或為“0”時(shí),電流很小。在一般PCB布板時(shí)芯片放置好后,要先控制地平面區域。不要在該區域內換層,否則會(huì )破壞阻抗特性,破壞地平面。
地平面一加,耦合大大降低。但實(shí)際應用中,PCB地平面的阻抗不但受其形狀的影響,還不可避免的受PCB中信號線(xiàn)過(guò)孔、裂縫、開(kāi)槽等影響。
但地層不要出現長(cháng)距離開(kāi)槽,否則會(huì )產(chǎn)生1nH的電感。
PCB印制線(xiàn)阻抗:
在直流或較低的頻率(如10KHz)情況下:
35μmPCBtrace印制線(xiàn)的阻抗R(mΩ)=0.5×L/w
在高頻時(shí),印制線(xiàn)的阻抗:
ZΩ=1.25×L×[Ln(L/w)+1.2+0.22(w/L)]×F
注:L為印制線(xiàn)的長(cháng)度,單位米;
W為印制線(xiàn)的寬度,單位米;
F為頻率,單位兆赫茲。
PCB印制線(xiàn)阻抗的公式中不難看出所有傳送交流信號的引線(xiàn)要盡可能短且寬。這意味著(zhù)任何與多條功率線(xiàn)相連的功率器件要盡可能緊挨在一起,以減短連線(xiàn)長(cháng)度。引線(xiàn)的長(cháng)度直接與它的電感量和電阻量成比例,它的寬度則與電感量和電阻量成反比。引線(xiàn)長(cháng)度就決定了其響應信號的波長(cháng),引線(xiàn)越長(cháng),它能接收和傳送的干擾信號頻率就越低,它所接收到的RF(射頻)能量也越大。
開(kāi)關(guān)電源PCB抗干擾設計中有兩個(gè)重要的問(wèn)題,除去上面提到的地平面外,還有一項就是串擾。PCB板層的參數、信號線(xiàn)間距、驅動(dòng)端和接收端的電氣特性及線(xiàn)端方式對串擾都有一定的影響。
串擾電壓的大小與兩線(xiàn)的間距成反比,與兩線(xiàn)的平行長(cháng)度成正比,但不存在倍數關(guān)系。
傳輸線(xiàn)與地平面的距離對串擾的影響很大。因此,在高速PCB板布線(xiàn)中,可以從以下幾個(gè)方面達到減小串擾的目的:
1) 加大線(xiàn)間距,減小線(xiàn)平行長(cháng)度
2) 使用屏蔽地線(xiàn),起隔離作用;
3) 在統一傳輸線(xiàn)的布線(xiàn)過(guò)程中,盡量減少過(guò)孔的使用;
4) 不同層之間的線(xiàn)垂直(或增加GND平面);
5) 高速信號線(xiàn)在滿(mǎn)足條件的情況下,加入端接匹配可以減小或消除反射,從而減小串擾。
除布線(xiàn)外,元件的合理布局也很重要。每一個(gè)開(kāi)關(guān)電源內部都有四個(gè)電流環(huán)路,每個(gè)環(huán)路要與其他環(huán)路分開(kāi)。對于各環(huán)路的主要器件:濾波電容、功率開(kāi)關(guān)管、整流器、電感、變壓器來(lái)說(shuō),它們的放置要盡可能靠近。這些器件的方向也要確定好,以使它們之間的電流通路盡可能短。
一般布局時(shí)可遵循以下原則進(jìn)行:
1) 按照器件的功能和類(lèi)型來(lái)進(jìn)行;
2) 要將轉換器放置在模擬電源和數字電源之間。
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