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開關電源PCB板的EMI抑制與抗干擾設計 |
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| 摘要：隨著現代科技的飛速發展，開關電源產品的集成度越來越大，其核心印制電路板（PCB）布板密度也越來越高，各類電子元件使用所帶來的EMI問題也日趨嚴重。PCB板設計的好壞對抗干擾能力影響很大，直接關系到整個產品的質量和成本。文章論述了開關電源電路PCB板的EMI產生原因，并對如何印制與抗干擾給出一定的解決方法。 | ||
| 關鍵詞：開關電源，PCB，EMI抑制與抗干擾，電磁兼容，直流開關電源 | ||
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印制電路板（PCB）是電子工業的重要部件之一,是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。而所有開關電源設計的最后一步就是PCB線路設計，如果這部分設計不當，也會導致電源工作不穩定，產生過量的EMI（電磁干擾）。
2 EMI分類及產生原因
2.1 EMI分類
對于EMI，可以按照電磁干擾的途徑來分為輻射干擾、傳導干擾和耦合干擾。
2.1.1 輻射干擾
存在于通訊設備或者計算機操作設備中，有部分干擾源是借由設備的線路或無線電天線發射出來，在某些情況下，可能因為振幅（干擾）過大，而造成無線電傳輸中斷或是計算機設備故障等問題。
2.1.2 傳導干擾
是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（諧波干擾）到另一個電網絡。
2.1.3 耦合干擾
是電磁能量通過各種途徑的耦合而形成的干擾。
2.2 EMI產生原因
EMI是如何產生的？忽略自然干擾的影響，在電子電路系統中我們主要考慮是電壓瞬變和信號的回流引起。
2.2.1 電壓瞬變
對于高速的數字器件來說，產生高頻交流信號時的電壓瞬變是產生電磁干擾的一個主要原因。數字信號在開關輸出時產生的頻譜不是單一的，而是融合了很多高次諧波分量，這些諧波的振幅由器件的上升或者下降時間來決定，信號上升和下降速度越快，即開關頻率越高，則產生的能量越多。所以如果器件在很短的時間內完成很大的電壓瞬變，將會產生嚴重的電磁輻射，這個電磁能量的外泄就會造成電磁干擾問題。
2.2.2 信號回流
任何信號的傳輸都存在一個閉環的回路，電流最終會流到驅動電源上，形成閉環回路，而環路的大小卻和EMI的產生有著很大的關系。
每一個環路可以等效為一個天線，環路數量或者面積越大，引起的EMI也越強。交流信號會自動選取阻抗最小的路徑返回驅動端，如圖1理想情況下的信號回流示意圖。
圖1 理想情況下的信號回流示意圖
但實際情況中，信號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，而表現為更復雜的回流形式。如圖2所示實際情況中的信號回流示意圖。
圖2 實際情況中的信號回流示意圖
3 EMI印制與抗干擾設計
3.1 常用技術
因為所有電子產品都會不可避免地產生一定的電磁干擾，為了量度設備系統在電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾能力，提出了電磁兼容性即EMC這個概念來進行EMI抑制與抗干擾的設計。
一般解決PCB板EMC問題常用的是隔離技術。隔離裝置有變壓器、光耦等。
一、變壓器隔離：
1）當假設變壓器初次級之間的寄生電容為100pf時：
I=C×ΔV/Δt=100pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/50
2）當假設變壓器初次級之間的寄生電容為1000pf時：
I=C×ΔV/Δt=1000pf×ΔV/5ns=0.02×ΔV=ΔV/5
在直流開關電源中1MHZ以上的產生于初級回路的開關諧波噪聲會通過變壓器初次級之間的寄生電容Cp向變壓器的次級傳輸。如何來解決這一問題呢？我們可以在變壓器的初次級之間設置屏蔽層，可以減小變壓器初次級之間的寄生電容。在實際操作中通常是在初級線圈繞好后加一個屏蔽層再繞次級線圈。
其本質是在變壓器中增加屏蔽層，并與初級回路的0V相接，相當于截斷騷擾向后傳遞的路徑，將騷擾源封閉在了較小的環路內，從而抑制了傳導發射騷擾與輻射發射騷擾。
屏蔽效果的好壞關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”。
二、光耦隔離
光耦在電路中很少單獨出現，一般都是多個光耦并聯或光耦與變壓器并聯，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，因此在產品設計中，當干擾施加在光耦的一端時，光耦另一端的信號也應該進行濾波處理。
對于具有基極端子的光耦，則在基極端子上并聯濾波電容，其值一般在100pf以上。對于沒有基極端子的光耦，則在集電極端子上并聯濾波電容；
3.2 PCB板布線布局
直流開關電源中，有些信號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。用三個基本的分布參數來對它進行描述，即電阻、電容和電感。而引線的長和寬就影響它的阻抗，進而關系到它們的頻率響應。即使是傳送直流信號的引線，也會從鄰近的引線上引入RF(射頻)信號，使電路發生故障，或者把這干擾信號再次輻射出去。可以先來看下PCB中兩個阻抗的計算：
PCB地平面的阻抗：
高頻時Z（μΩ）=370；
在DC或低頻時Z（μΩ）=；
注：其中t表示板厚
從上式中很明顯看出在高頻時地平面阻抗幾乎與厚度無關，而在低頻時則差別很大。
當地平面阻抗很低或為“0”時，電流很小。在一般PCB布板時芯片放置好后，要先控制地平面區域。不要在該區域內換層，否則會破壞阻抗特性，破壞地平面。
地平面一加，耦合大大降低。但實際應用中，PCB地平面的阻抗不但受其形狀的影響，還不可避免的受PCB中信號線過孔、裂縫、開槽等影響。
但地層不要出現長距離開槽，否則會產生1nH的電感。
PCB印制線阻抗：
在直流或較低的頻率（如10KHz）情況下：
35μmPCBtrace印制線的阻抗R(mΩ)=0.5×L/w
在高頻時，印制線的阻抗：
Z（Ω）=1.25×L×[Ln(L/w)+1.2+0.22(w/L)]×F
注：L為印制線的長度，單位米；
W為印制線的寬度，單位米；
F為頻率，單位兆赫茲。
從PCB印制線阻抗的公式中不難看出所有傳送交流信號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，以減短連線長度。引線的長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。引線長度就決定了其響應信號的波長，引線越長，它能接收和傳送的干擾信號頻率就越低，它所接收到的RF(射頻)能量也越大。
開關電源PCB抗干擾設計中有兩個重要的問題，除去上面提到的地平面外，還有一項就是串擾。PCB板層的參數、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性及線端方式對串擾都有一定的影響。
串擾電壓的大小與兩線的間距成反比，與兩線的平行長度成正比，但不存在倍數關系。
傳輸線與地平面的距離對串擾的影響很大。因此，在高速PCB板布線中，可以從以下幾個方面達到減小串擾的目的：
1） 加大線間距，減小線平行長度
2） 使用屏蔽地線，起隔離作用；
3） 在統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，從而減小串擾。
除布線外，元件的合理布局也很重要。每一個開關電源內部都有四個電流環路，每個環路要與其他環路分開。對于各環路的主要器件：濾波電容、功率開關管、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。
一般布局時可遵循以下原則進行：
1） 按照器件的功能和類型來進行；
2） 要將轉換器放置在模擬電源和數字電源之間。
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