1 開關(guān)電源的干擾源分析
開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。開關(guān)電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源波形等。對(duì)于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率；兩倍脈沖邊緣上升時(shí)間或下降時(shí)間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號(hào)都對(duì)開關(guān)電源基本信號(hào)，尤其是控制電路的信號(hào)造成干擾。
開關(guān)電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對(duì)開關(guān)電源控制電路的干擾等。另一類是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲，如開關(guān)管和整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。
如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生干擾，開關(guān)電源在受到電磁干擾的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備以及負(fù)載產(chǎn)生電磁干擾（如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾）。進(jìn)行開關(guān)電源EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)一方面要防止開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強(qiáng)開關(guān)電源本身對(duì)電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面具體分析開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。
圖1 開關(guān)電源噪聲類型圖
1.1 電源線引入的電磁噪聲
電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾（Common-mode Interference）定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾（Differential-mode Interference）定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中CP1為變壓器初、次級(jí)之間的分布電容，CP2為開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容（即開關(guān)管集電極與地之間的分布電容）。
（a）共模干擾
（b）差模干擾
圖2 兩種干擾的等效電路
如圖2（a）所示，開關(guān)管V1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，其集電極電壓突升為高電壓，這個(gè)電壓會(huì)引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電，分布電容的充電頻率即開關(guān)電源的工作頻率。則線路中共模電流總大小為（Icm1＋Icm2）。如圖2（b）所示，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，差模電流Idm和信號(hào)電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級(jí)、開關(guān)管組成的回路流通。由等效模型可知，共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們?cè)O(shè)置電源線濾波器時(shí)要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾，以達(dá)到好的濾波效果。
1.2 輸入電流畸變?cè)斐傻脑肼?br />
開關(guān)電源的輸入普遍采用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒有PFC功能的輸入級(jí)，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得二極管的導(dǎo)通角變小，輸入電流i成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實(shí)質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染，對(duì)電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染以及實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不可或缺的部分。
圖3 未加PFC電路的輸入電流和電壓波形
1.3 開關(guān)管及變壓器產(chǎn)生的干擾
主開關(guān)管是開關(guān)電源的核心器件，同時(shí)也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強(qiáng)度相關(guān)。隨著開關(guān)管的工作頻率升高，開關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。
開關(guān)電源工作過程中，由初級(jí)濾波大電容、高頻變壓器初級(jí)線圈和開關(guān)管構(gòu)成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。該環(huán)路會(huì)產(chǎn)生較大的輻射噪聲。開關(guān)回路中開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器初級(jí)線圈，它是一個(gè)感性的負(fù)載，所以，開關(guān)管通斷時(shí)在高頻變壓器的初級(jí)兩端會(huì)出現(xiàn)尖峰噪聲。輕者造成干擾，重者擊穿開關(guān)管。主變壓器繞組之間的分布電容和漏感也是引起電磁干擾的重要因素。
1.4 輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾
理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向電流通過。而實(shí)際二極管正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)電源中一個(gè)主要的干擾源。可以通過在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器，以抑制其反向恢復(fù)噪聲。
1.5 分布及寄生參數(shù)引起的開關(guān)電源噪聲
開關(guān)電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過變壓器初、次級(jí)之間的分布電容以及開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)摹Ｆ渲凶儔浩骼@組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關(guān)。可以通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。而開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關(guān)管與散熱器之間的分布電容。
如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性[2]，對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為了保證開關(guān)電源在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開關(guān)電源中的輻射干擾源。
圖4 高頻工作下的元件頻率特性
電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。
1.選擇合理的導(dǎo)線寬度
由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線、行驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常常載有大的瞬變電流，印制導(dǎo)線要盡可能地短。對(duì)于分立元件電路，印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時(shí)，即可完全滿足要求；對(duì)于集成電路，印制導(dǎo)線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。
2.采用正確的布線策略
采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。
為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長距離的平等走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線，可以有效地抑制串?dāng)_。
為了避免高頻信號(hào)通過印制導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，在印制電路板布線時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
●盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線的拐角應(yīng)大于90度禁止環(huán)狀走線等。
●時(shí)鐘信號(hào)引線容易產(chǎn)生電磁輻射干擾，走線時(shí)應(yīng)與地線回路相靠近，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨著連接器。
●總線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨其欲驅(qū)動(dòng)的總線。對(duì)于那些離開印制電路板的引線，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊緊挨著連接器。
●數(shù)據(jù)總線的布線應(yīng)每兩根信號(hào)線之間夾一根信號(hào)地線。好是緊緊挨著不重要的地址引線放置地回路，因?yàn)楹笳叱］d有高頻電流。
3.抑制反射干擾
為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應(yīng)盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時(shí)可加終端匹配，即在傳輸線的末端對(duì)地和電源端各加接一個(gè)相同阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一般速度較快的TTL電路，其印制線條長于10cm以上時(shí)就應(yīng)采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應(yīng)根據(jù)集成電路的輸出驅(qū)動(dòng)電流及吸收電流的大值來決定。
二、去耦電容配置
在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法，配置原則如下：
●電源輸入端跨接一個(gè)10～100uF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。
●為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01uF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4～10個(gè)芯片配置一個(gè)1～10uF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz～20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω，而且漏電流很?。?.5uA以下）。
●對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線（Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。
●去耦電容的引線不能過長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。
三、印制電路板的尺寸與器件的布置
印制電路板大小要適中，過大時(shí)印制線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小，則散熱不好，同時(shí)易受臨近線條干擾。
在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時(shí)種發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路，如有可能，應(yīng)另做電路板，這一點(diǎn)十分重要。
四、熱設(shè)計(jì)
從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則：
·對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，好是將集成電路（或其它器件）按縱長方式排列，對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備，好是將集成電路（或其它器件）按橫長方式排列。
·同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件（如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等）放在冷卻氣流的上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件（如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等）放在冷卻氣流下游。
·在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響?！ ?duì)溫度比較敏感的器件好安置在溫度低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件好是在水平面上交錯(cuò)布局。
·設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，合理配置器件或印制電路板?？諝饬鲃?dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng)，所以在印制電路板上配置器件時(shí)，要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。
大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制電路的溫升，從而使器件及設(shè)備的故障率明顯下降。
以上所述只是印制電路板可靠性設(shè)計(jì)的一些通用原則，印制電路板可靠性與具體電路有著密切的關(guān)系，在設(shè)計(jì)中不還需根據(jù)具體電路進(jìn)行相應(yīng)處理，才能大程度地保證印制電路板的可靠性。
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