1開關(guān)電源分析

　　開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾**基本的原因，是在操作期間產(chǎn)生的高DI / DT和高dv/DT，浪涌電流和尖峰電壓形成干擾源。電力頻率整流濾波的大電容充電放電，開關(guān)管的電壓切換，輸出的反向恢復(fù)電流整流二極管是干擾源。開關(guān)電源中的電壓電流波形大多是靠近矩形的周期性波，例如開關(guān)的驅(qū)動波形，MOSFET漏源波形等。對于矩形波，循環(huán)的倒數(shù)確定波形的頻率;兩次脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數(shù)確定由這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型值\ u200b \ u200binMHz的范圍，諧波頻率較高。這些高頻信號由開關(guān)電源的信號干擾，尤其是控制電路的信號。

　　開關(guān)的電磁噪聲電源可以分為來自噪聲源的兩類。一個是外部噪聲，例如，通過網(wǎng)格差模噪聲發(fā)送的共同模式和差模噪聲，外部電磁輻射對開關(guān)電源控制電路等的干擾。另一個類別是由開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁噪聲，例如由開關(guān)和流量管的電流峰值產(chǎn)生的諧波和電磁輻射。

　　如圖1所示。如圖1所示，網(wǎng)格的共模和差模噪聲與開關(guān)電源相連，并且開關(guān)電源也為電磁干擾（圖中返回）產(chǎn)生電磁干擾和負(fù)載。噪聲，輸出噪聲和輻射干擾）。開關(guān)EMI/EMC在一方面設(shè)計時，必須防止切換電源在另一方面加強(qiáng)對網(wǎng)格和附近電子設(shè)備的干擾，以加強(qiáng)開關(guān)電源本身對電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)性。由下面的開關(guān)電源的特定分析產(chǎn)生的原因和途徑。

　　圖1開關(guān)電源噪聲類型

　　1.1電源線路引入的電磁噪聲

　　電源線噪聲是由沿網(wǎng)格中的各種電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾引起的，沿著電源線傳播。 電源線噪聲分為兩類：共模干擾，差模干擾。 共模干擾（Common - mode Interference）定義為載流導(dǎo)體和參考地之間的不期望的電位差; 差模干擾（Differential - mode Interference）定義為它之間的任何兩個載流導(dǎo)體的不需要的潛在差異。兩種干擾等效電路如圖2所示。CP1是變壓器的主要和次級之間的分布電容，并且CP2是開關(guān)電源和散熱器之間的分配電容器（即，開關(guān)管收集器和地之間的分配電容。

　?。╝）共模干擾

　　（b）差模干擾

　　圖2兩種干擾等效電路

　　如圖2（a） 所示，當(dāng)開關(guān)V1從接通狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)時，開關(guān)V1的集電極電壓升高到高電壓，這使得共模電流 Icm2充電 CP2 和共模電流 Icm1充電 CP1。分布式電容器的充電頻率是開關(guān) 電源 的工作頻率。線 中共 模式電流的總幅值是 （Icm1 +Icm2）。如圖2 （B） 所示，當(dāng)V1接通時，差模 電流 Idm 和信號電流IL沿著由導(dǎo)線、變壓器初級和開關(guān)管組成的回路流動。從等效模型可以看出，共模干擾電流 不是通過接地線傳輸，而是通過輸入 電源 線傳輸。同時 差模干擾電流 通過接地線和輸入 電源 線環(huán)路傳輸。因此，在設(shè)置 電源線濾波器 時，我們應(yīng)考慮到 差模干擾 和 共模干擾 之間的差異，并使用 差模 或共模濾波器元件來抑制其傳輸路徑中的干擾，以達(dá)到**佳的濾波效果。

　　1.2輸入電流失真引起的噪聲

　　開關(guān) 電源 的輸入通常是 橋式整流 和電容濾波型整流 電源。如圖3所示，在沒有 PFC 功能的輸入級，二極管的 導(dǎo)通角 由于 整流二極管 的非線性和濾波電容器的儲能而變小，輸入電流I成為具有短時間和高峰值的周期性尖峰電流。除了 基波 分量之外，該失真電流基本上還包含豐富的高次諧波分量。這些高次諧波成分注入電網(wǎng)，造成嚴(yán)重的諧波污染，對電網(wǎng)上的其他電器造成干擾。為了控制開關(guān) 電源 對電網(wǎng)的污染，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC 電路是必不可少的部分。

　　圖3未施加 PFC 電路的輸入電流和電壓波形

　　來自1.3開關(guān)管和變壓器的干擾

　　主開關(guān)管是開關(guān) 電源 的核心器件，也是 干擾源。它的工作頻率與電磁干擾的強(qiáng)度直接相關(guān)。隨著開關(guān)管工作頻率的增加，開關(guān)管電壓和電流的開關(guān)速度增加，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也增加。此外，主開關(guān)管上的反并聯(lián)箝位二極管反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路參數(shù)選擇不當(dāng)也會造成電磁干擾。

　　在開關(guān) 電源 的操作期間，由初級濾波大電容、初級線圈 高頻變壓器 和開關(guān)管形成高頻電流回路。這個環(huán)路產(chǎn)生大的輻射噪聲。開關(guān)電路中的開關(guān)管的負(fù)載是 高頻變壓器 初級線圈，其是電感性負(fù)載。因此，當(dāng)開關(guān)管打開和關(guān)閉時，尖峰噪聲將出現(xiàn)在初級 高頻變壓器 的兩端。較輕的會造成干擾，較重的會破壞開關(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輸出產(chǎn)生的干擾 整流二極管

　　理想二極管在經(jīng)受 反向電壓 時關(guān)閉，沒有反向電流通過。但是，當(dāng)實(shí)際的二極管引導(dǎo)時，pn結(jié)中的電荷會累積。當(dāng)二極管承載 反向電壓 時，pn結(jié)中積累的電荷將被釋放并形成反向恢復(fù)電流。它回到零點(diǎn)的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感等分布參數(shù)的影響下會產(chǎn)生較強(qiáng)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 中的主要 干擾源。在二極管 并聯(lián)RC緩沖器 的兩端可以抑制反向恢復(fù)噪聲。

　　由1.5分布和寄生參數(shù)引起的開關(guān) 電源 噪聲

　　開關(guān)電源的分布參數(shù)是大多數(shù)干擾的內(nèi)部因素。開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容、變壓器一次級與二次級之間的分布電容、一次側(cè)與二次側(cè)的漏感都是噪聲源。共模干擾通過變壓器的一次和二次之間以及開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容傳輸。變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組的結(jié)構(gòu)和制造工藝有關(guān)。通過改進(jìn)繞組工藝和結(jié)構(gòu)，增加繞組間的絕緣，采用法拉第屏蔽，可以減小繞組間的分布電容。開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)和開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。使用帶屏蔽的絕緣墊片可以減小開關(guān)管和散熱器之間的分布電容。

　　如圖4所示，所有工作在高頻下的元件都具有高頻寄生特性，這些特性會影響它們的工作狀態(tài)。當(dāng)高頻工作時，導(dǎo)線變成發(fā)射線，電容變成電感，電感變成電容，電阻變成諧振電路。查看圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過高時，元件的頻率特性會發(fā)生很大變化。為了**開關(guān)電源在高頻工作時的穩(wěn)定性，在設(shè)計開關(guān)電源時應(yīng)充分考慮高頻工作元件的特性，并選擇高頻特性較好的元件。此外，在高頻下，導(dǎo)線寄生電感的電感顯著增大，**終由于電感的失控而成為一條發(fā)射線。它變成開關(guān)干擾源中的輻射電源。

　　圖4高頻工作時元件的頻率特性。

　　一、電磁兼容設(shè)計。

　　電磁兼容是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中和諧**工作的能力。電磁兼容設(shè)計的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外界干擾，使電子設(shè)備能在特定的電磁環(huán)境下正常工作，又能降低電子設(shè)備本身對其他電子設(shè)備的電磁干擾。

　　1.選擇合理的線寬。

　　由于暫態(tài)電流對印刷線產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印刷線的電感引起的，因此應(yīng)盡可能降低印刷線的電感。印刷導(dǎo)線的電感與其長度成正比，與其寬度成反比，因此短而細(xì)的導(dǎo)線有利于抑制干擾。時鐘引線、線路驅(qū)動器或總線驅(qū)動器的信號線通常包含較大的瞬態(tài)電流，印刷導(dǎo)線應(yīng)盡可能短。對于分立元件電路，當(dāng)印制線寬度為1.5 mm左右時，印制線寬度完全滿足要求；對于集成電路，印制線寬度可在0.2~1.0 mm之間選擇。

　　二.。采用正確的布線策略。

　　采用等布線可以降低導(dǎo)線電感，但增大了導(dǎo)線間的互感和分布電容。在布局允許的情況下，**好采用形狀良好的網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體方法是水平布線的印制板一側(cè)，縱向布線的另一側(cè)，然后在交叉孔與金屬化孔相連。

　　為抑制印制板線之間的串?dāng)_，應(yīng)盡量避免長距離等距布線，盡量延長線與線之間的距離，信號線、地線與電源線盡量不交叉。在一些對干擾非常敏感的信號線之間設(shè)置接地打印線可以有效地抑制串?dāng)_。

　　為避免高頻信號通過印制導(dǎo)線產(chǎn)生電磁輻射，接線印制電路板時還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　● 盡量減少印制線的不連續(xù)性，如導(dǎo)線寬度不應(yīng)突然，導(dǎo)線轉(zhuǎn)角應(yīng)大于90度，不得采用圓形接線。

　　● 時鐘信號引線**容易產(chǎn)生電磁輻射干擾。接線時，應(yīng)靠近接地電路，司機(jī)應(yīng)靠近連接器。

　　● 公共汽車司機(jī)應(yīng)靠近待駕駛的公共汽車。對于那些離開印制電路板的導(dǎo)線，驅(qū)動器應(yīng)靠近接頭。

　　● 數(shù)據(jù)總線接線中的每兩條信號線之間應(yīng)夾一根信號接地線。**好將接地回路置于**不重要的地址引線附近，因?yàn)檫@些導(dǎo)線通常攜帶高頻電流。

　　3.抑制反射干擾

　　為了抑制印刷線末端的反射干擾，除了特殊需要外，還應(yīng)盡量縮短印刷線長度，采用慢電路。如有必要，可增加端子匹配，即在接地和電源端增加相同電阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于一般快速TTL電路，印刷線大于10cm時，應(yīng)采取終端匹配措施。匹配電阻電阻值根據(jù)集成電路輸出驅(qū)動電流和吸收電流**大值確定。

　　2、 去耦電容配置

　　在DC電源電路中，負(fù)載的變化將導(dǎo)致電源噪聲。例如，在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，將在線路電源上產(chǎn)生大峰值電流，形成瞬態(tài)噪聲電壓。配置去耦電容可抑制負(fù)荷變化引起的噪聲，這是印制電路板的可靠性設(shè)計中的一種常見做法。配置原理如下：

　　● 電源輸入端與10-100uf電解電容器連接。如果允許印制電路板的位置，容量大于100uF的電解電容器的抗干擾效果會更好。

　　● 每個集成電路芯片應(yīng)提供一個0.01uF陶瓷電容器。如果空間小印制電路板，不能安裝，則每4-10片可配置1-10uf鉭電解電容器。本裝置高頻阻抗特別小，500khz-20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω， 泄漏電流很?。ǖ陀?.5ua）。

　　● 對于在停機(jī)和存儲裝置ROM、RAM期間噪聲能力弱、電流變化較大的設(shè)備，應(yīng)在芯片電源線（Vcc）與地線GND）之間直接接入去耦電容。

　　去耦電容的引線不應(yīng)過長，特別是高頻旁路電容不應(yīng)有引線。

　　3、 印制電路板尺寸和設(shè)備布置

　　印制電路板尺寸適中，印刷線過大時長，阻抗增大，不僅降低了抗噪聲能力，而且成本高；體積太小，散熱不好，容易受到相鄰線路的干擾。

　　在器件布置方面，與其他邏輯電路一樣，應(yīng)盡量將相關(guān)器件放置在**近的位置，從而獲得更好的抗噪聲效果。時間發(fā)生器、晶體振蕩器和CPU的時鐘輸入容易產(chǎn)生噪聲，且它們應(yīng)彼此更接近。器件、小電流電路和容易產(chǎn)生噪聲的大電流電路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路，這一點(diǎn)非常重要。如果可能，應(yīng)制作電路板。

　　4、 熱設(shè)計

　　從散熱角度看，印刷板安裝應(yīng)直立。板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm。此外，印刷板上設(shè)備的布置應(yīng)遵循一定的規(guī)則：

　　**好以縱向方式（優(yōu)選（或其他裝置）排列（或其他裝置），優(yōu)選（或其他裝置），其優(yōu)選為（或其他裝置）（或其他裝置）。長模式布置。

　　同一塊印制板上的裝置應(yīng)該盡可能多地使用，以安排散熱量和散熱度，發(fā)熱量或耐熱性差（例如小信號晶體管（例如小信號晶體管）小規(guī)模集成電路 ，電解電容等置于冷卻氣流中。放置在冷卻氣體流的底部的**上游（入口），高發(fā)熱或良好的耐熱性（例如功率晶體管，大規(guī)模集成電路等）。

　　在級別方向上時，高功率器件如靠近印制板邊緣布置，以縮短傳熱路徑;在垂直方向上中，高功率器件布置在上方印制板以減少用于其他設(shè)備的這些裝置。溫度的影響。 **好將溫度溫度（例如裝置的底部）放置在溫度（例如底部），不要將其直接放在發(fā)熱裝置上方，并且多個裝置優(yōu)選地在水平面上隔行。

　　器件印制板的散熱主要依賴于空氣流動，因此在設(shè)計時必須研究空氣流路，合理的配置裝置或印制電路板。當(dāng)空氣流動時，它總是往往會流動小阻力，因此當(dāng)設(shè)備配置在印制電路板時，有必要避免在區(qū)域中的大型空域。整個機(jī)器中多個印制電路板的配置也應(yīng)該注意同樣的問題。

　　大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，使用合理的設(shè)備布置可以有效地降低印刷電路的溫度升高，從而降低了裝置的故障率和裝置。

　　上述上述一般原理僅是可靠性設(shè)計的一般原理，并且印制電路板可靠性與特定電路密切相關(guān)，并且不需要根據(jù)設(shè)計中的特定電路執(zhí)行以**大化印制電路板的可靠性 。