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开关电源之PCB设计时出现电磁问题怎样避免

来源:东莞市成良智能科技   发布时间:2019-10-15   点击量:1003

如今电路板设计和元器件封装不断缩小,OEM也要求更高速的系统,电磁兼容性(EMC)及电磁干扰(EMI)问题令开关电源之PCB布局和设计工程师十分头痛。为避免在开关电源之PCB设计中出现电磁问题,PCB专家给出了7点建议。

技巧1:将PCB接地
降低EMI的一个重要途径是设计PCB接地层。第一步是使开关电源之PCB电路板总面积内的接地面积尽可能大,这样可以减少发射、串扰和噪声。将每个元器件连接到接地点或接地层时必须特别小心,如果不这样做,就不能充分利用可靠的接地层的中和效果。

一个特别复杂的PCB设计有几个稳定的电压。理想情况下,每个参考电压都有自己对应的接地层。但是,如果接地层太多会增加开关电源之PCB的制造成本,使价格过高。折衷的办法是在三到五个不同的位置分别使用接地层,每一个接地层可包含多个接地部分。这样不仅控制了电路板的制造成本,同时也降低了EMI和EMC。如果想使EMC最小,低阻抗接地系统十分重要。在多层PCB中,最好有一个可靠的接地层,而不是一个铜平衡块(copper thieving)或散乱的接地层,因为它具有低阻抗,可提供电流通路,是最佳的反向信号源。

为解决多层PCB中的EMC问题,最好有一个可靠的接地层,而不是铜平衡块(copper thieving)或散乱的接地层。信号返回地面的时长也非常重要。信号往返于信号源的时间必须相当,否则会产生类似天线的现象,使辐射的能量成为EMI的一部分。 同样,向/从信号源传输电流的走线应尽可能短,如果源路径和返回路径的长度不相等,则会产生接地反弹,这也会产生EMI。

技巧2:区分开关电源之EMI
由于EMI不同,一个很好的开关电源之EMC设计规则是将模拟电路和数字电路分开。模拟电路的安培数较高或者说电流较大,应远离高速走线或开关信号。如果可能的话,应使用接地信号保护它们。在多层PCB上,模拟走线的布线应在一个接地层上,而开关走线或高速走线应在另一个接地层。因此,不同特性的信号就分开了。

有时可以用一个低通滤波器来消除与周围走线耦合的高频噪声。开关电源之滤波器可以抑制噪声,返回稳定的电流。将模拟信号和数字信号的接地层分开很重要。由于模拟电路和数字电路有各自独特的特性,将它们分开至关重要。数字信号应该有数字接地,模拟信号应该终止于于模拟接地。

在数字电路设计中,有经验的开关电源之PCB布局和设计工程师会特别注意高速信号和时钟。在高速情况下,信号和时钟应尽可能短并邻近接地层,因为如前所述,接地层可使串扰、噪声和辐射保持在可控制的范围。

技巧3:开关电源之PCB串扰和走线是重点

走线对确保电流的正常流动特别重要。如果电流来自振荡器或其它类似设备,那么让电流与接地层分开,或者不让电流与另一条走线并行,尤其重要。 两个并行的高速信号会产生EMC和EMI,特别是串扰。必须使电阻路径最短,返回电流路径也尽可能短。返回路径走线的长度应与发送走线的长度相同。
对于EMI,一条叫做“侵犯走线”,另一条则是“受害走线”。电感和电容耦合会因为电磁场的存在而影响“受害”走线,从而在“受害走线”上产生正向和反向电流。这样的话,在信号的发送长度和接收长度几乎相等的稳定环境中就会产生纹波。

技巧4:开关电源之去耦电容
开关电源之去耦电容可减少串扰的不良影响,它们应位于设备的电源引脚和接地引脚之间,这样可以确保交流阻抗较低,减少噪声和串扰。为了在宽频率范围内实现低阻抗,应使用多个去耦电容。放置去耦电容的一个重要原则是,电容值最小的电容器要尽可能靠近设备,以减少对走线产生电感影响。这一特定的电容器尽可能靠近设备的开关电源引脚或电源走线,并将电容器的焊盘直接连到过孔或接地层。如果走线较长,请使用多个过孔,使接地阻抗最小。

技巧5:避免90°角
为降低开关电源之EMI,应避免走线、过孔及其它元器件形成90°角,因为直角会产生辐射。在该角处电容会增加,特性阻抗也会发生变化,导致反射,继而引起EMI。 要避免90°角,走线应至少以两个45°角布线到拐角处。
技巧6:使用过孔需谨慎
在几乎所有PCB布局中,都必须使用过孔在不同层之间提供导电连接。开关电源之PCB布局工程师需特别小心,因为过孔会产生电感和电容。在某些情况下,它们还会产生反射,因为在走线中制作过孔时,特性阻抗会发生变化。
同样要记住的是,过孔会增加走线长度,需要进行匹配。如果是差分走线,应尽可能避免过孔。如果不能避免,则应在两条走线中都使用过孔,以补偿信号和返回路径中的延迟。

技巧7:电缆和物理屏蔽
承载数字电路和模拟电流的电缆会产生寄生电容和电感,引起很多开关电源之EMC相关问题。如果使用双绞线电缆,则会保持较低的耦合水平,消除产生的磁场。对于高频信号,必须使用屏蔽电缆,其正面和背面均接地,消除EMI干扰。
物理屏蔽是用金属封装包住整个或部分系统,防止EMI进入开关电源之PCB电路。这种屏蔽就像是封闭的接地导电容器,可减小天线环路尺寸并吸收EMI。

热门标签:开关电源
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