標題: 開關電源PCB板的電磁兼容性研究 [打印本頁]
作者: qq8426030 時間: 2014-1-3 10:18
標題: 開關電源PCB板的電磁兼容性研究
開關電源PCB板的電磁兼容性研究
摘 要：隨著開關電源控制精度的提高，開關電源PCB板的電磁兼容特性成為衡量電源質量的重要指標，本文探討了開關電源PCB板設計過程中，電磁干擾的來源，并針對干擾原因提出了開關電源電磁兼容性設計的基本步驟和設計要點，對于開關電源的設計運用具有重要的實踐意義。
隨著功率半導體器件性能的提高和開關變換技術的革新，電力電子技術已經廣泛地應用到了各式各樣的電源設備中。目前，開關電源的產品越來越趨向于小型、高速和高密度化。這種趨勢導致電磁兼容問題變得越來越嚴重。電壓、電流的高頻開關過程產生了大量的EMI（電磁干擾），這部分干擾若不予以限制，將會嚴重影響周圍電氣設備的正常工作。所以，開關電源的PCB設計是解決開關電源電磁兼容性問題的一個至關重要的方面。之所以把PCB看成是開關電源設計中不可缺少的一個重要部件，是因為它擔負著開關電源的電氣部件和機械部件的雙重連接作用，是減小電子設備的EMI設計中的關鍵。麥斯艾姆（massembly）貼片知識課堂，用通俗的文字介紹專業貼片知識。麥斯艾姆科技，全國首家PCB(麥斯艾姆知識課堂)樣板打板，元器件代采購，及貼片的一站式服務提供者！
1 PCB設計中的電磁干擾問題
1.1 電磁耦合干擾
在電路設計中，電磁耦合干擾主要通過傳導耦合及共模阻抗耦合來影響其它電路。從EMC設計角度來講，開關電源電路與普通數字電路不同，具有相對比較明顯的干擾源和敏感線路。一般來說，開關電源的干擾源主要集中在電壓、電流變化率大的元件和導線上，如功率場效應管、快恢復二極管、高頻變壓器以及與之相連的導線。敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設備相連的線路，因為這些干擾耦合可能會直接影響到電路的正常工作以及對外發射的干擾水平。而共模阻抗耦合是當兩個電路的電流經過一個公共阻抗時，一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路。
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題之一。這里所說的串音是較廣意義上的串音，不管其源是有用信號還是噪聲，串音是用導線的互容和互感來表示。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，當平行布線長度超過10厘米時，預期產生串音干擾；當一長電纜載有幾組串行或并行高速數據和遙控線時，串音干擾也成為主要問題。靠近的電線和電纜之間的串音是由電場通過互容，磁場通過互感引起的。
當考慮在PCB帶線狀的串音問題時，最主要的問題是確定電場（互容）、磁場（互感）耦合哪個更主要。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。一般來說，在高頻時電容耦合是主要的，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型：差模輻射與共模輻射。多數情況下，開關電源產生的傳導干擾以共模干擾為主，而且共模干擾的輻射作用遠大于差模干擾，因此減少共模干擾在開關電源的EMC設計中顯得特別重要。
2 PCB的干擾抑制步驟
2.1 PCB設計信息
在設計PCB時，需要了解電路板的設計信息，其包括如下：
（1）器件數量、器件大小、器件封裝；
（2）整體布局的要求、器件布局位置、有無大功率器件、芯片器件散熱的特殊要求；
（3）數字芯片的速率、PCB是否分為低速中速高速區、哪些是接口輸入輸出區；
（4）信號線的種類速率及傳送方向、信號線的阻抗控制要求、總線速率走向及驅動情況、關鍵信號及保護措施；
（5）電源種類、地的種類、對電源和地的噪聲容限要求、電源和地平面的設置及分割；
（6）時鐘線的種類和速率、時鐘線的來源和去向、時鐘延時要求、最長走線要求。
2.2 PCB分層
首先要確定在可以接受的成本范圍內實現功能所需的布線層數和電源層數。電路板的層數是由詳細的功能要求、抗擾度、信號總類的分離、器件密度、總線的布線等因數確定的。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展，多層印制板設計是達到電磁兼容標準的主要措施，要求有：
（1）分配單獨的電源層和地層，可以很好的抑制固有共模干擾，并減小點源阻抗；
（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）最好在不同層內對數字電路和模擬電路進行布局；
（4）布線層最好與整塊金屬平面相鄰；
（5）時鐘電路和高頻電路是主要的干擾源，應單獨處理。
2.3 PCB布局
印制板電磁兼容設計的關鍵是布局和布線，好壞直接關系到電路板的性能。目前電路板布局的EDA自動化程度很低，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尺寸過大，布局時器件分布分散，則傳輸線可能會很長，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，鄰近走線容易產生耦合串擾。所以必須根據電路功能單元進行布局，同時考慮到電磁兼容、散熱和接口等因素。進行整體布局時應遵循一些原則：
（1）按照電路信號的流程來安排各功能電路單元，使信號流通保持方向一致；
（2）以每個功能電路單元核心元件為中心，別的元件圍繞它進行布局；
（3）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減小它們的分布參數；
（4）易受干擾的元器件相互間不能太近，輸入輸出元件要遠離；
（5）對于電源線、高頻信號線和一般走線之間要防止相互耦合。
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