[资料] 元器件布局与布线中的电磁兼容设计

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发表于 2017-3-15 17:14:31   402 查看 1 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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9. 元器件布局与布线中的电磁兼容设计
对于开关电源设备内部元器件的布局必须整体考虑电磁兼容性的要求,设备内部的干扰源会通过辐射和串扰等途径影响其它元件或部件的工作,研究表明,在离干扰源一定距离时,干扰源的能量将大大衰减,因此合理的布局有利于减小电磁干扰的影响。
EMI输入输出滤波器最好安装在金属机箱的入口处,并保证其输入线与输出线电磁环境的屏蔽隔离。
敏感电路或元件要远离发热源。
对于开关电源产品,我们一般须遵守以下布线原则:
9.1 主电路输入线与输出线分开走线。
9.2 EMI滤波器输入线与输出线分开走线。
9.3 主电路线与控制信号线分开走线。
9.4 高压脉冲信号线最好分开单独走线。
9.5 分开布线的原则是避免平行走线,可以垂直交叉,线束之间距离在20mm以上。
9.6 电缆不要贴着金属外壳和散热器走线,保证一定距离。
9.7 双绞线、同轴电缆及带状电缆在EMC设计中的使用


8.png
双绞线的使用


双绞线、同轴电缆都能有效的抑制电磁干扰。在脉冲信号传输线路中常使用双绞线,控制辅助电源线和传感器信号线最好用双绞屏蔽线。因为双绞线两根线之间有很小的回路面积,而且双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有大小相等、方向相反,产生的磁场相互抵消,这样就可以减小因辐射引起的差模干扰,不过双绞线绞合的圈数最好为偶数,且每单位波长所绞合的圈数愈多,消除耦合的效果愈好。使用时注意双绞线和同轴电缆两端不能同时接地,只能单端接地,而对屏蔽线,屏蔽层两端接地能既能屏蔽电场还能屏蔽磁场,单端接地只能屏蔽电场。使用同轴电缆时还要注意,其屏蔽层必须完全包覆信号线接地,即接头与电缆屏蔽层必须3600搭接,才能有效屏蔽电磁场,如图所示,信号线裸露部分仍可以与外界形成互容耦合,降低屏蔽效能。带状电缆适合于短距离的信号传输,我们知道为了降低差模信号的电磁辐射,必须减小信号线和信号回流线所形成的回路面积,因此在设计带状电缆布局时,最好将信号线与接地线间隔排列。如图所示,其中S为信号线,G为信号地线。
9.png
信号线与接地线间隔排列


10.元器件的选择
热传播的方式有传导、对流和辐射,热辐射是以电磁波的形式向空中传播的,热传导也会向周围其它元件传导热量,这些都会影响其它元器件或电路的正常工作,因此从元器件热设计方面考虑要尽量留有较大余量,以降低元器件的温升及器件表面的温度,除元器件对温升有特殊要求外,一般开关电源要求内部元件温度小于90℃,内部环境温度不超过65℃,以减小热辐射干扰。
对数字集成电路,从电磁兼容性角度看应多选用高噪声容限的CMOS器件代替低噪声容限的TTL器件。尽量使用低速、窄带元件和电路。
选用分布电感较小的SMP元件,选用高频特性好、等效串联电感低的陶瓷介质电容器、高频无感电容器、三端电容器和穿心电容器等作滤波电容。


11.控制电路及PCB的电磁兼容设计
信号地是指信号电流流回信号源的一条低阻抗路径。在设计中往往由于接地方法不恰当而产生地环路干扰和公共阻抗耦合干扰。因此要合理选用接地方式,接地的方式有单点接地、多点接地和混合接地。
地环路干扰:常发生在通过较长电缆连接,地相距较远的设备之间。原因是由于地环路电流的存在,使两个设备的地电位不同。通常用光电耦合器或隔离变压器进行“地”隔离,消除地环路干扰。由于隔离变压器绕组之间寄生电容较大,即使采取屏蔽措施的隔离变压器通常也只用于1MHZ以下的信号隔离,超过1MHZ时多采用光电耦合器隔离。


公共阻抗耦合:当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就会发生公共阻抗耦合。由于地线是信号回流线,一个电路的工作状态必然会影响地线电压,当两个电路共用一段地线时,地线的电压就会同时受到两个电路工作状态的影响。
可见无论是地环路干扰还是公共阻抗耦合问题都是由于地线阻抗引起的,因此在设计时一定要考虑尽量降低地线阻抗与感抗。
如何减小控制电源噪声:电源线上有电流突变,就会产生噪声电压。在靠近芯片的位置增加解耦电容,能有效减小噪声。如果是高频电流负载,则采用多个同容量的高频电容和无感电容并联能获得更好的效果。注意电容容量并非越大越好,主要根据其谐振频率、提供脉冲电流频率来选择。
印制板合理的布置地线将能有效的减小印制板的辐射以及提高其抗辐射干扰能力,请注意
布置地线网络:在双面板的两面布置最多的平行地线。
对于一些关键信号(如脉冲信号和对外界较敏感的电平信号)的地线的布置必须尽量缩小引线长度,减小信号的回流面积。如果是双面板,地线和信号线可以在印制板两面并联平行走线。
若是多层线路板,且既有数字地又有模拟地,则数字地和模拟地必须布置在同一层,减小它们之间的耦合干扰。
在实际电路中常发生公共阻抗耦合,因此要根据实际情况选择正确的接地方式。


12.其它方法
12.1.IGBT,MOSFET等开关元件的驱动脉冲信号增加一个-5V~-10V的负电平,提高驱动信号的抗干扰能力。或驱动信号采用光纤传输技术,光纤适宜于远距离传输,具有抗干扰能力强的特点。
12.2.通过软件的编程技术,提高开关电源的抗干扰能力,为了防止电平信号中的毛刺,引起软件的误判断及误动作,可以通过多次采样等数字滤波方法来滤除干扰信号。
标签:电磁兼容 emc

总工程师

发表于 2017-3-15 22:01:57  
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