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      直流开关电源PCB板的EMI抑制与抗干扰设计
      发布者:扬州明生电子科技有限公司
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      开关电源PCB板的EMI抑制与抗干扰设计


      摘要:随着现代科技的飞速发展,开关电源产品的集成度越来越大,其核心印制电路板(PCB)布板密度也越来越高,各类电子元件使用所带来的EMI问题也日趋严重。PCB板设计的好坏对抗干扰能力影响很大,直接关系到整个产品的质量和成本。文章论述了开关电源电路PCB板的EMI产生原因,并对如何印制与抗干扰给出一定的解决方法。
      关键词:开关电源,PCB,EMI抑制与抗干扰,电磁兼容,直流开关电源



       印制电路板(PCB)是电子工业的重要部件之一,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。而所有开关电源设计的最后一步就是PCB线路设计,如果这部分设计不当,也会导致电源工作不稳定,产生过量的EMI(电磁干扰)。
       
      EMI分类及产生原因
      2.1 EMI分类
      对于EMI,可以按照电磁干扰的途径来分为辐射干扰、传导干扰和耦合干扰。
      2.1.1 辐射干扰
      存在于通讯设备或者计算机操作设备中,有部分干扰源是借由设备的线路或无线电天线发射出来,在某些情况下,可能因为振幅(干扰)过大,而造成无线电传输中断或是计算机设备故障等问题。
      2.1.2  传导干扰
      是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合谐波干扰)到另一个电网络。
      2.1.3  耦合干扰
      是电磁能量通过各种途径的耦合而形成的干扰。
      2.2  EMI产生原因
      EMI是如何产生的?忽略自然干扰的影响,在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流引起。
      2.2.1 电压瞬变
      对于高速的数字器件来说,产生高频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的,而是融合了很多高次谐波分量,这些谐波的振幅由器件的上升或者下降时间来决定,信号上升和下降速度越快,即开关频率越高,则产生的能量越多。所以如果器件在很短的时间内完成很大的电压瞬变,将会产生严重的电磁辐射,这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。
      2.2.2 信号回流
      任何信号的传输都存在一个闭环的回路,电流最终会流到驱动电源上,形成闭环回路,而环路的大小却和EMI的产生有着很大的关系。
      每一个环路可以等效为一个天线,环路数量或者面积越大,引起的EMI也越强。交流信号会自动选取阻抗最小的路径返回驱动端,如图1理想情况下的信号回流示意图。
       
       
       
      图1   理想情况下的信号回流示意图
      但实际情况中,信号不可能始终保持理想路径,特别是在高密度布线的PCB板上,过孔、缝隙等都可能降低参考平面的理想特性,而表现为更复杂的回流形式。如图2所示实际情况中的信号回流示意图。
       
      图2   实际情况中的信号回流示意图
       
      EMI印制与抗干扰设计
      3.1  常用技术
          因为所有电子产品都会不可避免地产生一定的电磁干扰,为了量度设备系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰能力,提出了电磁兼容性即EMC这个概念来进行EMI抑制与抗干扰的设计。
      一般解决PCB板EMC问题常用的是隔离技术。隔离装置有变压器、光耦等。
      一、变压器隔离:
      1)当假设变压器初次级之间的寄生电容为100pf时:
      I=C×ΔV/Δt=100pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/50
      2)当假设变压器初次级之间的寄生电容为1000pf时:
      I=C×ΔV/Δt=1000pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/5
      在直流开关电源中1MHZ以上的产生于初级回路的开关谐波噪声会通过变压器初次级之间的寄生电容Cp向变压器的次级传输。如何来解决这一问题呢?我们可以在变压器的初次级之间设置屏蔽层,可以减小变压器初次级之间的寄生电容。在实际操作中通常是在初级线圈绕好后加一个屏蔽层再绕次级线圈。
      其本质是在变压器中增加屏蔽层,并与初级回路的0V相接,相当于截断骚扰向后传递的路径,将骚扰源封闭在了较小的环路内,从而抑制了传导发射骚扰与辐射发射骚扰。
      屏蔽效果的好坏关键在于屏蔽层与直流地或直流的高压端连接是否能保证“零阻抗”。
      二、光耦隔离
      光耦在电路中很少单独出现,一般都是多个光耦并联或光耦与变压器并联,因此极易造成很大的寄生电容。由于光耦也并非高频意义上的完全隔离,因此在产品设计中,当干扰施加在光耦的一端时,光耦另一端的信号也应该进行滤波处理。
      对于具有基极端子的光耦,则在基极端子上并联滤波电容,其值一般在100pf以上。对于没有基极端子的光耦,则在集电极端子上并联滤波电容;
       
      3.2  PCB板布线布局
      直流开关电源中,有些信号包含丰富的高频分量,因而任何一条PCB引线都可能成为天线,都可能造成干扰。用三个基本的分布参数来对它进行描述,即电阻、电容和电感。而引线的长和宽就影响它的阻抗,进而关系到它们的频率响应。即使是传送直流信号的引线,也会从邻近的引线上引入RF(射频)信号,使电路发生故障,或者把这干扰信号再次辐射出去。可以先来看下PCB中两个阻抗的计算:
      PCB地平面的阻抗:
      高频时Z(μΩ)=370;
      在DC或低频时Z(μΩ)=;
      注:其中t表示板厚
      从上式中很明显看出在高频时地平面阻抗几乎与厚度无关,而在低频时则差别很大。
      当地平面阻抗很低或为“0”时,电流很小。在一般PCB布板时芯片放置好后,要先控制地平面区域。不要在该区域内换层,否则会破坏阻抗特性,破坏地平面。
      地平面一加,耦合大大降低。但实际应用中,PCB地平面的阻抗不但受其形状的影响,还不可避免的受PCB中信号线过孔、裂缝、开槽等影响。
      但地层不要出现长距离开槽,否则会产生1nH的电感。
      PCB印制线阻抗:
      在直流或较低的频率(如10KHz)情况下:
      35μmPCBtrace印制线的阻抗R(mΩ)=0.5×L/w
      在高频时,印制线的阻抗:
      ZΩ=1.25×L×[Ln(L/w)+1.2+0.22(w/L)]×F
      注:L为印制线的长度,单位米;
      W为印制线的宽度,单位米;
      F为频率,单位兆赫兹。
      PCB印制线阻抗的公式中不难看出所有传送交流信号的引线要尽可能短且宽。这意味着任何与多条功率线相连的功率器件要尽可能紧挨在一起,以减短连线长度。引线的长度直接与它的电感量和电阻量成比例,它的宽度则与电感量和电阻量成反比。引线长度就决定了其响应信号的波长,引线越长,它能接收和传送的干扰信号频率就越低,它所接收到的RF(射频)能量也越大。
      开关电源PCB抗干扰设计中有两个重要的问题,除去上面提到的地平面外,还有一项就是串扰。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端方式对串扰都有一定的影响。
      串扰电压的大小与两线的间距成反比,与两线的平行长度成正比,但不存在倍数关系。
      传输线与地平面的距离对串扰的影响很大。因此,在高速PCB板布线中,可以从以下几个方面达到减小串扰的目的:
      1) 加大线间距,减小线平行长度
      2) 使用屏蔽地线,起隔离作用;
      3) 在统一传输线的布线过程中,尽量减少过孔的使用;
      4) 不同层之间的线垂直(或增加GND平面);
      5) 高速信号线在满足条件的情况下,加入端接匹配可以减小或消除反射,从而减小串扰。
      除布线外,元件的合理布局也很重要。每一个开关电源内部都有四个电流环路,每个环路要与其他环路分开。对于各环路的主要器件:滤波电容、功率开关管、整流器、电感、变压器来说,它们的放置要尽可能靠近。这些器件的方向也要确定好,以使它们之间的电流通路尽可能短。
      一般布局时可遵循以下原则进行:
      1) 按照器件的功能和类型来进行;
      2) 要将转换器放置在模拟电源和数字电源之间。
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