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開關(guān)電源PCB板的EMI抑制與抗干擾設(shè)計(jì) |
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| 摘要：隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，開關(guān)電源產(chǎn)品的集成度越來越大，其核心印制電路板（PCB）布板密度也越來越高，各類電子元件使用所帶來的EMI問題也日趨嚴(yán)重。PCB板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)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。文章論述了開關(guān)電源電路PCB板的EMI產(chǎn)生原因，并對(duì)如何印制與抗干擾給出一定的解決方法。 | ||
| 關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，PCB，EMI抑制與抗干擾，電磁兼容，直流開關(guān)電源 | ||
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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。而所有開關(guān)電源設(shè)計(jì)的最后一步就是PCB線路設(shè)計(jì)，如果這部分設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致電源工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生過量的EMI（電磁干擾）。
2 EMI分類及產(chǎn)生原因
2.1 EMI分類
對(duì)于EMI，可以按照電磁干擾的途徑來分為輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和耦合干擾。
2.1.1 輻射干擾
存在于通訊設(shè)備或者計(jì)算機(jī)操作設(shè)備中，有部分干擾源是借由設(shè)備的線路或無線電天線發(fā)射出來，在某些情況下，可能因?yàn)檎穹ǜ蓴_）過大，而造成無線電傳輸中斷或是計(jì)算機(jī)設(shè)備故障等問題。
2.1.2 傳導(dǎo)干擾
是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)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(tǒng)中我們主要考慮是電壓瞬變和信號(hào)的回流引起。
2.2.1 電壓瞬變
對(duì)于高速的數(shù)字器件來說，產(chǎn)生高頻交流信號(hào)時(shí)的電壓瞬變是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)主要原因。數(shù)字信號(hào)在開關(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)間來決定，信號(hào)上升和下降速度越快，即開關(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(nèi)完成很大的電壓瞬變，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁輻射，這個(gè)電磁能量的外泄就會(huì)造成電磁干擾問題。
2.2.2 信號(hào)回流
任何信號(hào)的傳輸都存在一個(gè)閉環(huán)的回路，電流最終會(huì)流到驅(qū)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)生有著很大的關(guān)系。
每一個(gè)環(huán)路可以等效為一個(gè)天線，環(huán)路數(shù)量或者面積越大，引起的EMI也越強(qiáng)。交流信號(hào)會(huì)自動(dòng)選取阻抗最小的路徑返回驅(qū)動(dòng)端，如圖1理想情況下的信號(hào)回流示意圖。
圖1 理想情況下的信號(hào)回流示意圖
但實(shí)際情況中，信號(hào)不可能始終保持理想路徑，特別是在高密度布線的PCB板上，過孔、縫隙等都可能降低參考平面的理想特性，而表現(xiàn)為更復(fù)雜的回流形式。如圖2所示實(shí)際情況中的信號(hào)回流示意圖。
圖2 實(shí)際情況中的信號(hào)回流示意圖
3 EMI印制與抗干擾設(shè)計(jì)
3.1 常用技術(shù)
因?yàn)樗须娮赢a(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(shè)備系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)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)概念來進(jìn)行EMI抑制與抗干擾的設(shè)計(jì)。
一般解決PCB板EMC問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(dāng)假設(shè)變壓器初次級(jí)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(dāng)假設(shè)變壓器初次級(jí)之間的寄生電容為1000pf時(shí)：
I=C×ΔV/Δt=1000pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/5
在直流開關(guān)電源中1MHZ以上的產(chǎn)生于初級(jí)回路的開關(guān)諧波噪聲會(huì)通過變壓器初次級(jí)之間的寄生電容Cp向變壓器的次級(jí)傳輸。如何來解決這一問題呢？我們可以在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層，可以減小變壓器初次級(jí)之間的寄生電容。在實(shí)際操作中通常是在初級(jí)線圈繞好后加一個(gè)屏蔽層再繞次級(jí)線圈。
其本質(zhì)是在變壓器中增加屏蔽層，并與初級(jí)回路的0V相接，相當(dāng)于截?cái)囹}擾向后傳遞的路徑，將騷擾源封閉在了較小的環(huán)路內(nèi)，從而抑制了傳導(dǎo)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(dú)出現(xiàn)，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(shè)計(jì)中，當(dāng)干擾施加在光耦的一端時(shí)，光耦另一端的信號(hào)也應(yīng)該進(jìn)行濾波處理。
對(duì)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(duì)于沒有基極端子的光耦，則在集電極端子上并聯(lián)濾波電容；
3.2 PCB板布線布局
直流開關(guān)電源中，有些信號(hào)包含豐富的高頻分量，因而任何一條PCB引線都可能成為天線，都可能造成干擾。用三個(gè)基本的分布參數(shù)來對(duì)它進(jìn)行描述，即電阻、電容和電感。而引線的長(zhǎng)和寬就影響它的阻抗，進(jìn)而關(guān)系到它們的頻率響應(yīng)。即使是傳送直流信號(hào)的引線，也會(huì)從鄰近的引線上引入RF(射頻)信號(hào)，使電路發(fā)生故障，或者把這干擾信號(hào)再次輻射出去。可以先來看下PCB中兩個(gè)阻抗的計(jì)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關(guān)，而在低頻時(shí)則差別很大。
當(dāng)?shù)仄矫孀杩购艿突驗(yàn)椤?”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(qū)域。不要在該區(qū)域內(nèi)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(yīng)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(hào)線過孔、裂縫、開槽等影響。
但地層不要出現(xiàn)長(zhǎng)距離開槽，否則會(huì)產(chǎn)生1nH的電感。
PCB印制線阻抗：
在直流或較低的頻率（如10KHz）情況下：
35μmPCBtrace印制線的阻抗R(mΩ)=0.5×L/w
在高頻時(shí)，印制線的阻抗：
Z（Ω）=1.25×L×[Ln(L/w)+1.2+0.22(w/L)]×F
注：L為印制線的長(zhǎng)度，單位米；
W為印制線的寬度，單位米；
F為頻率，單位兆赫茲。
從PCB印制線阻抗的公式中不難看出所有傳送交流信號(hào)的引線要盡可能短且寬。這意味著任何與多條功率線相連的功率器件要盡可能緊挨在一起，以減短連線長(zhǎng)度。引線的長(zhǎng)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。引線長(zhǎng)度就決定了其響應(yīng)信號(hào)的波長(zhǎng)，引線越長(zhǎng)，它能接收和傳送的干擾信號(hào)頻率就越低，它所接收到的RF(射頻)能量也越大。
開關(guān)電源PCB抗干擾設(shè)計(jì)中有兩個(gè)重要的問題，除去上面提到的地平面外，還有一項(xiàng)就是串?dāng)_。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。
串?dāng)_電壓的大小與兩線的間距成反比，與兩線的平行長(zhǎng)度成正比，但不存在倍數(shù)關(guān)系。
傳輸線與地平面的距離對(duì)串?dāng)_的影響很大。因此，在高速PCB板布線中，可以從以下幾個(gè)方面達(dá)到減小串?dāng)_的目的：
1） 加大線間距，減小線平行長(zhǎng)度
2） 使用屏蔽地線，起隔離作用；
3） 在統(tǒng)一傳輸線的布線過程中，盡量減少過孔的使用；
4） 不同層之間的線垂直（或增加GND平面）；
5） 高速信號(hào)線在滿足條件的情況下，加入端接匹配可以減小或消除反射，從而減小串?dāng)_。
除布線外，元件的合理布局也很重要。每一個(gè)開關(guān)電源內(nèi)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。對(duì)于各環(huán)路的主要器件：濾波電容、功率開關(guān)管、整流器、電感、變壓器來說，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型來進(jìn)行；
2） 要將轉(zhuǎn)換器放置在模擬電源和數(shù)字電源之間。
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