標(biāo)題: 開(kāi)關(guān)電源PCB板的電磁兼容性研究 [打印本頁(yè)]
作者: qq8426030 時(shí)間: 2014-1-3 10:18
標(biāo)題: 開(kāi)關(guān)電源PCB板的電磁兼容性研究
開(kāi)關(guān)電源PCB板的電磁兼容性研究
摘 要：隨著開(kāi)關(guān)電源控制精度的提高，開(kāi)關(guān)電源PCB板的電磁兼容特性成為衡量電源質(zhì)量的重要指標(biāo)，本文探討了開(kāi)關(guān)電源PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁干擾的來(lái)源，并針對(duì)干擾原因提出了開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本步驟和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)運(yùn)用具有重要的實(shí)踐意義。
隨著功率半導(dǎo)體器件性能的提高和開(kāi)關(guān)變換技術(shù)的革新，電力電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了各式各樣的電源設(shè)備中。目前，開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品越來(lái)越趨向于小型、高速和高密度化。這種趨勢(shì)導(dǎo)致電磁兼容問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。電壓、電流的高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生了大量的EMI（電磁干擾），這部分干擾若不予以限制，將會(huì)嚴(yán)重影響周?chē)姎庠O(shè)備的正常工作。所以，開(kāi)關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)是解決開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性問(wèn)題的一個(gè)至關(guān)重要的方面。之所以把PCB看成是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中不可缺少的一個(gè)重要部件，是因?yàn)樗鼡?dān)負(fù)著開(kāi)關(guān)電源的電氣部件和機(jī)械部件的雙重連接作用，是減小電子設(shè)備的EMI設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。麥斯艾姆（massembly）貼片知識(shí)課堂，用通俗的文字介紹專(zhuān)業(yè)貼片知識(shí)。麥斯艾姆科技，全國(guó)首家PCB(麥斯艾姆知識(shí)課堂)樣板打板，元器件代采購(gòu)，及貼片的一站式服務(wù)提供者！
1 PCB設(shè)計(jì)中的電磁干擾問(wèn)題
1.1 電磁耦合干擾
在電路設(shè)計(jì)中，電磁耦合干擾主要通過(guò)傳導(dǎo)耦合及共模阻抗耦合來(lái)影響其它電路。從EMC設(shè)計(jì)角度來(lái)講，開(kāi)關(guān)電源電路與普通數(shù)字電路不同，具有相對(duì)比較明顯的干擾源和敏感線路。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的干擾源主要集中在電壓、電流變化率大的元件和導(dǎo)線上，如功率場(chǎng)效應(yīng)管、快恢復(fù)二極管、高頻變壓器以及與之相連的導(dǎo)線。敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測(cè)量設(shè)備相連的線路，因?yàn)檫@些干擾耦合可能會(huì)直接影響到電路的正常工作以及對(duì)外發(fā)射的干擾水平。而共模阻抗耦合是當(dāng)兩個(gè)電路的電流經(jīng)過(guò)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路。
1.2串音干擾
印刷電路板（PCB）中帶線狀、電線、電纜間的串音干擾是印刷電路板線路中存在的最難克服的問(wèn)題之一。這里所說(shuō)的串音是較廣意義上的串音，不管其源是有用信號(hào)還是噪聲，串音是用導(dǎo)線的互容和互感來(lái)表示。例如，到PCB上某一帶狀線上載有控制和邏輯電平，與其靠近的第二條帶狀線上載有低電平信號(hào)，當(dāng)平行布線長(zhǎng)度超過(guò)10厘米時(shí)，預(yù)期產(chǎn)生串音干擾；當(dāng)一長(zhǎng)電纜載有幾組串行或并行高速數(shù)據(jù)和遙控線時(shí)，串音干擾也成為主要問(wèn)題。靠近的電線和電纜之間的串音是由電場(chǎng)通過(guò)互容，磁場(chǎng)通過(guò)互感引起的。
當(dāng)考慮在PCB帶線狀的串音問(wèn)題時(shí)，最主要的問(wèn)題是確定電場(chǎng)（互容）、磁場(chǎng)（互感）耦合哪個(gè)更主要。而確定那種耦合模型主要取決于線路阻抗、頻率和其他因素。一般來(lái)說(shuō)，在高頻時(shí)電容耦合是主要的，但是如果源或接收器之一或兩者采用屏蔽電纜并在屏蔽層兩端接地，則磁場(chǎng)耦合將是主要的。另外，在低頻一般有較低的電路阻抗、電感耦合是主要的。
1.3電磁輻射干擾
輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。PCB電磁輻射分為兩種類(lèi)型：差模輻射與共模輻射。多數(shù)情況下，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾以共模干擾為主，而且共模干擾的輻射作用遠(yuǎn)大于差模干擾，因此減少共模干擾在開(kāi)關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)中顯得特別重要。
2 PCB的干擾抑制步驟
2.1 PCB設(shè)計(jì)信息
在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，需要了解電路板的設(shè)計(jì)信息，其包括如下：
（1）器件數(shù)量、器件大小、器件封裝；
（2）整體布局的要求、器件布局位置、有無(wú)大功率器件、芯片器件散熱的特殊要求；
（3）數(shù)字芯片的速率、PCB是否分為低速中速高速區(qū)、哪些是接口輸入輸出區(qū)；
（4）信號(hào)線的種類(lèi)速率及傳送方向、信號(hào)線的阻抗控制要求、總線速率走向及驅(qū)動(dòng)情況、關(guān)鍵信號(hào)及保護(hù)措施；
（5）電源種類(lèi)、地的種類(lèi)、對(duì)電源和地的噪聲容限要求、電源和地平面的設(shè)置及分割；
（6）時(shí)鐘線的種類(lèi)和速率、時(shí)鐘線的來(lái)源和去向、時(shí)鐘延時(shí)要求、最長(zhǎng)走線要求。
2.2 PCB分層
首先要確定在可以接受的成本范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能所需的布線層數(shù)和電源層數(shù)。電路板的層數(shù)是由詳細(xì)的功能要求、抗擾度、信號(hào)總類(lèi)的分離、器件密度、總線的布線等因數(shù)確定的。目前電路板已由單層、雙層、四層板逐步向更多層電路板方向發(fā)展，多層印制板設(shè)計(jì)是達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的主要措施，要求有：
（1）分配單獨(dú)的電源層和地層，可以很好的抑制固有共模干擾，并減小點(diǎn)源阻抗；
（2）電源平面和接地平面盡量相互鄰近，一般地平面在電源平面之上；
（3）最好在不同層內(nèi)對(duì)數(shù)字電路和模擬電路進(jìn)行布局；
（4）布線層最好與整塊金屬平面相鄰；
（5）時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾源，應(yīng)單獨(dú)處理。
2.3 PCB布局
印制板電磁兼容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是布局和布線，好壞直接關(guān)系到電路板的性能。目前電路板布局的EDA自動(dòng)化程度很低，需要大量的人工布置。在布局之前，必須確定盡量低的成本下滿足功能的PCB大小。如果PCB尺寸過(guò)大，布局時(shí)器件分布分散，則傳輸線可能會(huì)很長(zhǎng)，這樣造成阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加。如果器件集中放置，則散熱不好，鄰近走線容易產(chǎn)生耦合串?dāng)_。所以必須根據(jù)電路功能單元進(jìn)行布局，同時(shí)考慮到電磁兼容、散熱和接口等因素。進(jìn)行整體布局時(shí)應(yīng)遵循一些原則：
（1）按照電路信號(hào)的流程來(lái)安排各功能電路單元，使信號(hào)流通保持方向一致；
（2）以每個(gè)功能電路單元核心元件為中心，別的元件圍繞它進(jìn)行布局；
（3）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減小它們的分布參數(shù)；
（4）易受干擾的元器件相互間不能太近，輸入輸出元件要遠(yuǎn)離；
（5）對(duì)于電源線、高頻信號(hào)線和一般走線之間要防止相互耦合。
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