開關(guān)電源PCB板的EMI抑制與抗干擾設(shè)計(jì)

開關(guān)電源PCB板的EMI抑制與抗干擾設(shè)計(jì)

引言

印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品的重要部件之一， 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)。

1 EM1分類及產(chǎn)生原因

1．1 EM1分類

對(duì)于電磁干擾(EMI)，可以按照電磁干擾傳播的途徑分為輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和耦合干擾。

(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，有部分干擾源是由于設(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?干擾)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)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)

(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。

1．2 EMl產(chǎn)生的原因

EMl是如何產(chǎn)生的?忽略自然干擾的影響，在電子電路系統(tǒng)中主要考慮的是由電壓瞬變和信號(hào)的回流引起。

(1)電壓瞬變

對(duì)于高速的數(shù)字器件來說，出現(xiàn)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，這些諧波的振幅由瞬變的上升或者下降時(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)生的能量越大。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)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，理想情況下的信號(hào)回流示意圖如圖1所示。

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。實(shí)際情況中的信號(hào)回流示意圖如圖2所示。

2 EMI抑制與抗干擾設(shè)計(jì)

2．1 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(Electromagnetic Compatibility)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。

(1)變壓器隔離

在開關(guān)電源中1 MHz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?可以在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層，用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0 V相接，相當(dāng)于截?cái)囹}擾向后傳遞的路徑，將騷擾源封閉在較小的環(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”。

(2)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100 pF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。

2．2 PCB板布線布局

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.

(1)PCB地平面的阻抗

PCB中常應(yīng)用到兩個(gè)阻抗

高頻時(shí)為

式中：t 為板厚，單位為mm

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 ．破壞地平面。

在同地平面，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1 nH的電感。

(2)PCB印制線阻抗

在直流或較低的頻率(如10 kHz)情況下

35μm PCB印制線的阻抗為

式中：L為印制線的長(zhǎng)度，(mm)；

W為印制線的寬度，(mm)。

在高頻時(shí)，印制線的阻抗為

式中：L為印制線的長(zhǎng)度，單位mm；

W為印制線的寬度，單位mm；

f為頻率，單位MHz。

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x,j-~擾的影響很大。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)路的主要器件如：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。

2．3 PCB板接地設(shè)計(jì)

在實(shí)際PCB布板中，好的接地系統(tǒng)是抑制電磁干擾的一種技術(shù)措施，其電路和設(shè)備地線任意兩點(diǎn)之間的電壓與線路中的任何功能部分相比較，都可以忽略不計(jì)；差的接地系統(tǒng)，可以通過地線產(chǎn)生寄生電壓和電流耦合進(jìn)電路，地線或接地平面總有一定的阻抗，該公共阻抗使兩接地點(diǎn)問形成一定的壓降，引起接地干擾，使系統(tǒng)的功能受到影響，從而影響產(chǎn)品的可靠性。

在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1 MHz．它的布線和器件問的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用單點(diǎn)接地．即將電源開關(guān)電流回路中的幾個(gè)器件的地線都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個(gè)器件的地線也同樣接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上，這樣電源工作較穩(wěn)定，不易自激。開關(guān)電源中的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，適合采用單點(diǎn)接地。若做不到單點(diǎn)時(shí)，可接在比較集中的一塊銅箔處就可以。

在信號(hào)工作頻率大于10 MHz的高頻電路中．地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，適合就近多點(diǎn)接地。

當(dāng)工作頻率在1～10 MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1／20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

工作地和保護(hù)地分開。由于浪涌、靜電及其他過電流的影響，會(huì)造成工作地電位的漂移，影響系統(tǒng)正常工作，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。因此保護(hù)地和工作地在單板上必須分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。

PCB板上接地線不能構(gòu)成回路且應(yīng)盡量加粗若接地線用細(xì)線條，則接地電位隨電流的變化而變化，抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗。如條件許可，接地線應(yīng)在2～3 mm以上，也可用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。

3 結(jié)束語

PCB的EM I抑制和抗干擾設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何降低輻射和干擾，文中給出了一些針對(duì)開關(guān)電源PCB電磁兼容問題的解決方法，有利于提高其可靠性，從而保證整個(gè)開關(guān)電源的質(zhì)量。