开关电源PCB板的电磁兼容性研究

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摘  要：随着开关电源控制精度的提高，开关电源PCB板的电磁兼容特性成为衡量电源质量的重要指标，本文探讨了开关电源PCB板设计过程中，电磁干扰的来源，并针对干扰原因提出了开关电源电磁兼容性设计的基本步骤和设计要点，对于开关电源的设计运用具有重要的实践意义。麦斯艾姆（massembly）贴片知识课堂，用通俗的文字介绍专业贴片知识。麦斯艾姆科技，全国首家PCB(麦斯艾姆知识课堂)样板打板，元器件代采购，及贴片的一站式服务提供者！
　　随着功率半导体器件性能的提高和开关变换技术的革新，电力电子技术已经广泛地应用到了各式各样的电源设备中。目前，开关电源的产品越来越趋向于小型、高速和高密度化。这种趋势导致电磁兼容问题变得越来越严重。电压、电流的高频开关过程产生了大量的EMI（电磁干扰），这部分干扰若不予以限制，将会严重影响周围电气设备的正常工作。所以，开关电源的PCB设计是解决开关电源电磁兼容性问题的一个至关重要的方面。之所以把PCB看成是开关电源设计中不可缺少的一个重要部件，是因为它担负着开关电源的电气部件和机械部件的双重连接作用，是减小电子设备的EMI设计中的关键。
　　1 PCB设计中的电磁干扰问题
　　1.1 电磁耦合干扰
　　在电路设计中，电磁耦合干扰主要通过传导耦合及共模阻抗耦合来影响其它电路。从EMC设计角度来讲，开关电源电路与普通数字电路不同，具有相对比较明显的干扰源和敏感线路。一般来说，开关电源的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元件和导线上，如功率场效应管、快恢复二极管、高频变压器以及与之相连的导线。敏感线路主要是指控制电路和直接与干扰测量设备相连的线路，因为这些干扰耦合可能会直接影响到电路的正常工作以及对外发射的干扰水平。而共模阻抗耦合是当两个电路的电流经过一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路。
　　1.2串音干扰
　　印刷电路板（PCB）中带线状、电线、电缆间的串音干扰是印刷电路板线路中存在的最难克服的问题之一。这里所说的串音是较广意义上的串音，不管其源是有用信号还是噪声，串音是用导线的互容和互感来表示。例如，到PCB上某一带状线上载有控制和逻辑电平，与其靠近的第二条带状线上载有低电平信号，当平行布线长度超过10厘米时，预期产生串音干扰；当一长电缆载有几组串行或并行高速数据和遥控线时，串音干扰也成为主要问题。靠近的电线和电缆之间的串音是由电场通过互容，磁场通过互感引起的。
　　当考虑在PCB带线状的串音问题时，最主要的问题是确定电场（互容）、磁场（互感）耦合哪个更主要。而确定那种耦合模型主要取决于线路阻抗、频率和其他因素。一般来说，在高频时电容耦合是主要的，但是如果源或接收器之一或两者采用屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地，则磁场耦合将是主要的。另外，在低频一般有较低的电路阻抗、电感耦合是主要的。
　　1.3电磁辐射干扰
　　辐射干扰是由于空间电磁波的辐射而引入的干扰。PCB电磁辐射分为两种类型：差模辐射与共模辐射。多数情况下，开关电源产生的传导干扰以共模干扰为主，而且共模干扰的辐射作用远大于差模干扰，因此减少共模干扰在开关电源的EMC设计中显得特别重要。
　　2 PCB的干扰抑制步骤
　　2.1 PCB设计信息
　　在设计PCB时，需要了解电路板的设计信息，其包括如下：
　　（1）器件数量、器件大小、器件封装；
　　（2）整体布局的要求、器件布局位置、有无大功率器件、芯片器件散热的特殊要求；
　　（3）数字芯片的速率、PCB是否分为低速中速高速区、哪些是接口输入输出区；
　　（4）信号线的种类速率及传送方向、信号线的阻抗控制要求、总线速率走向及驱动情况、关键信号及保护措施；
　　（5）电源种类、地的种类、对电源和地的噪声容限要求、电源和地平面的设置及分割；
　　（6）时钟线的种类和速率、时钟线的来源和去向、时钟延时要求、最长走线要求。
　　2.2 PCB分层
　　首先要确定在可以接受的成本范围内实现功能所需的布线层数和电源层数。电路板的层数是由详细的功能要求、抗扰度、信号总类的分离、器件密度、总线的布线等因数确定的。目前电路板已由单层、双层、四层板逐步向更多层电路板方向发展，多层印制板设计是达到电磁兼容标准的主要措施，要求有：
　　（1）分配单独的电源层和地层，可以很好的抑制固有共模干扰，并减小点源阻抗；
　　（2）电源平面和接地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上；
　　（3）最好在不同层内对数字电路和模拟电路进行布局；
　　（4）布线层最好与整块金属平面相邻；
　　（5）时钟电路和高频电路是主要的干扰源，应单独处理。
　　2.3 PCB布局
　　印制板电磁兼容设计的关键是布局和布线，好坏直接关系到电路板的性能。目前电路板布局的EDA自动化程度很低，需要大量的人工布置。在布局之前，必须确定尽量低的成本下满足功能的PCB大小。如果PCB尺寸过大，布局时器件分布分散，则传输线可能会很长，这样造成阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加。如果器件集中放置，则散热不好，邻近走线容易产生耦合串扰。所以必须根据电路功能单元进行布局，同时考虑到电磁兼容、散热和接口等因素。进行整体布局时应遵循一些原则：
　　（1）按照电路信号的流程来安排各功能电路单元，使信号流通保持方向一致；
　　（2）以每个功能电路单元核心元件为中心，别的元件围绕它进行布局；
　　（3）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减小它们的分布参数；
　　（4）易受干扰的元器件相互间不能太近，输入输出元件要远离；
　　（5）对于电源线、高频信号线和一般走线之间要防止相互耦合。
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