開關電源PCB板的電磁兼容性研究

摘 要：隨著開關電源控制精度的提高，開關電源PCB板的電磁兼容特性成為衡量電源質量的重要指標，本文探討了開關電源PCB板設計過程中，電磁干擾的來源，并針對干擾原因提出了開關電源電磁兼容性設計的基本步驟和設計要點，對于開關電源的設計運用具有重要的實踐意義。

隨著功率半導體器件性能的提高和開關變換技術的革新，電力電子技術已經(jīng)廣泛地應用到了各式各樣的電源設備中。目前，開關電源的產(chǎn)品越來越趨向于小型、高速和高密度化。這種趨勢導致電磁兼容問題變得越來越嚴重。電壓、電流的高頻開關過程產(chǎn)生了大量的EMI（電磁干擾），這部分干擾若不予以限制，將會嚴重影響周圍電氣設備的正常工作。所以，開關電源的PCB設計是解決開關電源電磁兼容性問題的一個至關重要的方面。之所以把PCB看成是開關電源設計中不可缺少的一個重要部件，是因為它擔負著開關電源的電氣部件和機械部件的雙重連接作用，是減小電子設備的EMI設計中的關鍵。

1 PCB設計中的電磁干擾問題

1.1 電磁耦合干擾

在電路設計中，電磁耦合干擾主要通過傳導耦合及共模阻抗耦合來影響其它電路。從EMC設計角度來講，開關電源電路與普通數(shù)字電路不同，具有相對比較明顯的干擾源和敏感線路。一般來說，開關電源的干擾源主要集中在電壓、電流變化率大的元件和導線上，如功率場效應管、快恢復二極管、高頻變壓器以及與之相連的導線。敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設備相連的線路，因為這些干擾耦合可能會直接影響到電路的正常工作以及對外發(fā)射的干擾水平。而共模阻抗耦合是當兩個電路的電流經(jīng)過一個公共阻抗時，一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路。

1.2串音干擾

印刷電路板（PCB）中帶線狀、電線、電纜間的串音干擾是印刷電路板線路中存在的最難克服的問題之一。這里所說的串音是較廣意義上的串音，不管其源是有用信號還是噪聲，串音是用導線的互容和互感來表示。例如，到PCB上某一帶狀線上載有控制和邏輯電平，與其靠近的第二條帶狀線上載有低電平信號，當平行布線長度超過10厘米時，預期產(chǎn)生串音干擾；當一長電纜載有幾組串行或并行高速數(shù)據(jù)和遙控線時，串音干擾也成為主要問題?？拷碾娋€和電纜之間的串音是由電場通過互容，磁場通過互感引起的。

當考慮在PCB帶線狀的串音問題時，最主要的問題是確定電場（互容）、磁場（互感）耦合哪個更主要。而確定那種耦合模型主要取決于線路阻抗、頻率和其他因素。一般來說，在高頻時電容耦合是主要的，但是如果源或接收器之一或兩者采用屏蔽電纜并在屏蔽層兩端接地，則磁場耦合將是主要的。另外，在低頻一般有較低的電路阻抗、電感耦合是主要的。

1.3電磁輻射干擾

輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。PCB電磁輻射分為兩種類型：差模輻射與共模輻射。多數(shù)情況下，開關電源產(chǎn)生的傳導干擾以共模干擾為主，而且共模干擾的輻射作用遠大于差模干擾，因此減少共模干擾在開關電源的EMC設計中顯得特別重要。

2 PCB的干擾抑制步驟

2.1 PCB設計信息

在設計PCB時，需要了解電路板的設計信息，其包括如下：

（1）器件數(shù)量、器件大小、器件封裝；

（2）整體布局的要求、器件布局位置、有無大功率器件、芯片器件散熱的特殊要求；

（3）數(shù)字芯片的速率、PCB是否分為低速中速高速區(qū)、哪些是接口輸入輸出區(qū)；

（4）信號線的種類速率及傳送方向、信號線的阻抗控制要求、總線速率走向及驅動情況、關鍵信號及保護措施；

（5）電源種類、地的種類、對電源和地的噪聲容限要求、電源和地平面的設置及分割；

（6）時鐘線的種類和速率、時鐘線的來源和去向、時鐘延時要求、最長走線要求。

2.2 PCB分層

首先要確定在可以接受的成本范圍內實現(xiàn)功能所需的布線層數(shù)和電源層數(shù)。電路板的層數(shù)是由詳細的功能要求、抗擾度、信號總類的分離、器件密度、總線的布線等因數(shù)確定的。目前電路板已由單層、雙層、四層板逐步向更多層電路板方向發(fā)展，多層印制板設計是達到電磁兼容標準的主要措施，要求有：

（1）分配單獨的電源層和地層，可以很好的抑制固有共模干擾，并減小點源阻抗；

（2）電源平面和接地平面盡量相互鄰近，一般地平面在電源平面之上；

（3）最好在不同層內對數(shù)字電路和模擬電路進行布局；

（4）布線層最好與整塊金屬平面相鄰；

（5）時鐘電路和高頻電路是主要的干擾源，應單獨處理。

2.3 PCB布局

印制板電磁兼容設計的關鍵是布局和布線，好壞直接關系到電路板的性能。目前電路板布局的EDA自動化程度很低，需要大量的人工布置。在布局之前，必須確定盡量低的成本下滿足功能的PCB大小。如果PCB尺寸過大，布局時器件分布分散，則傳輸線可能會很長，這樣造成阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加。如果器件集中放置，則散熱不好，鄰近走線容易產(chǎn)生耦合串擾。所以必須根據(jù)電路功能單元進行布局，同時考慮到電磁兼容、散熱和接口等因素。進行整體布局時應遵循一些原則：

（1）按照電路信號的流程來安排各功能電路單元，使信號流通保持方向一致；

（2）以每個功能電路單元核心元件為中心，別的元件圍繞它進行布局；

（3）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減小它們的分布參數(shù)；

（4）易受干擾的元器件相互間不能太近，輸入輸出元件要遠離；

（5）對于電源線、高頻信號線和一般走線之間要防止相互耦合。

2.4 PCB的布線

（1）布線原則

布線時，要對所有信號線進行分類。先布時鐘，敏感信號線，再布高速信號線，在確保此類信號的過孔足夠少，分布參數(shù)特性好以后，再布一般的不重要的信號線。應該遵循的原則有：

1）輸入輸出端的導線盡量避免相鄰長距離的平行；為減少長平行走線的串擾，可增大線條間距，或走線間插入地線；

2）線路板上的寬度不要突變，導線不要突然拐角，盡可能保持線路阻抗的連續(xù)，印制傳輸線拐彎處一般走圓弧或成135°角；

3）特別注意高頻電路的電源和地線分配問題；

4）減小電流流通過程的導線環(huán)路面積，這是因為載流回路對外的輻射與通過電流、環(huán)路面積和信號頻率成正比；

5）線路板插頭上多安排彼此分散的地線輸入腳，有助于減少線路板插腳配線的環(huán)路面積及地線阻抗；

6）減少導線的長度，增加導線的寬度，有利于減少導線的阻抗。

（2）印刷線路的EMC布線設計

根據(jù)干擾電場分布圖進行印刷線路EMC布線設計，其基本思想是把敏感線路放在干擾度較弱的區(qū)域。再根據(jù)己經(jīng)提出的“耦合系數(shù)”的概念，實時估算印刷線路間分布電容的大小，在設計時可及時對PCB進行修改、改進，能有效減小PCB的傳導干擾。

選擇合適的布局方案首先要計算出干擾源的干擾強度分布圖。大多數(shù)開關電源的開關頻率在幾十kHz到數(shù)MHz之間，故PCB表面的干擾電場可作準靜態(tài)場分析，在此假設條件下，場量可寫成相互獨立的空間和時間量的乘積。故位移電流J（x,y,z,t）可寫成：

通過求拉普拉斯方程式 （2）可解出空間各點電位的空間分量 ，進行運算后乘以電介質常數(shù)“可求得相應的位移電流密度之空間分量 。經(jīng)可視化計算后，可獲相應的干擾強度分布圖

2.5 PCB抗干擾電路

對大型開關電源的數(shù)字控制系統(tǒng)而言，各邏輯器件有相應閥電平和噪聲容限，外來噪聲只要不超過邏輯器件的容限值，系統(tǒng)就能正常工作。然而一旦侵入系統(tǒng)的噪聲或干擾超過某種容限，此干擾信號就會被邏輯器件放大，成形，成為產(chǎn)生誤動作的重要原因。單片機系統(tǒng)最敏感的是時鐘信號、復位信號和中斷信號，這三種信號線在布PCB時要特別注意，滿足功能的同時應選擇頻率盡可能低的晶振。

看門狗電路是抗干擾措施之一，當強電磁干擾，電網(wǎng)尖峰脈沖干擾使單片機系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖，看門狗電路可以自動檢測并使程序恢復運行。

當系統(tǒng)遭到較強干擾而失去正常工作狀態(tài)時，往往會使RAM中的數(shù)據(jù)遭到破壞，因此除了要對電源系統(tǒng)作精心的設計外，還必須設計出可靠的RAM保護電路。

對電路的數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線進行信息交換，若提高總線的負載能力，總線傳輸較長時改善信號波形，此時需要配置三態(tài)緩沖門電路作為總線驅動器。另外，要注意保證總線的負載平衡。

總線上安裝上拉電阻可以提高總線信號傳輸?shù)目煽啃?，不僅可以提高信號電平，還可以提高總線的抗電磁干擾能力、抑制靜電干擾、削弱反射波干擾。芯片具有內置上拉電阻時，不用在外電路安裝上拉電阻。對于電路上的芯片引腳，將不使用的輸入端固定在高電平，可增強外部電磁干擾的抑制。

3 結語

當電磁干擾不強、電路板尺寸不大時，以上EMC保護手段從成本角度來看也許可以不用考慮。但是隨著現(xiàn)代開關電源控制精度的提高，對于電路的穩(wěn)定性要求更高，為了保證高靈敏度開關電源的可靠性，采取合理的電磁兼容性設計具有非常重要的實踐意義。