开关电源PCB板的电磁兼容性研究

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。

2.4 PCB的布线
　　
（1）布线原则
　　
布线时，要对所有信号线进行分类。先布时钟，敏感信号线，再布高速信号线，在确保此类信号的过孔足够少，分布参数特性好以后，再布一般的不重要的信号线。应该遵循的原则有：
　　
1）输入输出端的导线尽量避免相邻长距离的平行；为减少长平行走线的串扰，可增大线条间距，或走线间插入地线；
　　
2）线路板上的宽度不要突变，导线不要突然拐角，尽可能保持线路阻抗的连续，印制传输线拐弯处一般走圆弧或成135°角；
　　
3）特别注意高频电路的电源和地线分配问题；
　　
4）减小电流流通过程的导线环路面积，这是因为载流回路对外的辐射与通过电流、环路面积和信号频率成正比；
　　
5）线路板插头上多安排彼此分散的地线输入脚，有助于减少线路板插脚配线的环路面积及地线阻抗；
　　
6）减少导线的长度，增加导线的宽度，有利于减少导线的阻抗。
　　
（2）印刷线路的EMC布线设计
　　
根据干扰电场分布图进行印刷线路EMC布线设计，其基本思想是把敏感线路放在干扰度较弱的区域。再根据己经提出的“耦合系数”的概念，实时估算印刷线路间分布电容的大小，在设计时可及时对PCB进行修改、改进，能有效减小PCB的传导干扰。
　　
选择合适的布局方案首先要计算出干扰源的干扰强度分布图。大多数开关电源的开关频率在几十kHz到数MHz之间，故PCB表面的干扰电场可作准静态场分析，在此假设条件下，场量可写成相互独立的空间和时间量的乘积。故位移电流J（x,y,z,t）可写成：

通过求拉普拉斯方程式 （2）可解出空间各点电位的空间分量 ，进行运算后乘以电介质常数“可求得相应的位移电流密度之空间分量 。经可视化计算后，可获相应的干扰强度分布图

2.5 PCB抗干扰电路
　　
对大型开关电源的数字控制系统而言，各逻辑器件有相应阀电平和噪声容限，外来噪声只要不超过逻辑器件的容限值，系统就能正常工作。然而一旦侵入系统的噪声或干扰超过某种容限，此干扰信号就会被逻辑器件放大，成形，成为产生误动作的重要原因。单片机系统最敏感的是时钟信号、复位信号和中断信号，这三种信号线在布PCB时要特别注意，满足功能的同时应选择频率尽可能低的晶振。
　　
看门狗电路是抗干扰措施之一，当强电磁干扰，电网尖峰脉冲干扰使单片机系统出现死锁，看门狗电路可以自动检测并使程序恢复运行。
　　
当系统遭到较强干扰而失去正常工作状态时，往往会使RAM中的数据遭到破坏，因此除了要对电源系统作精心的设计外，还必须设计出可靠的RAM保护电路。
　　
对电路的数据总线，地址总线和控制总线进行信息交换，若提高总线的负载能力，总线传输较长时改善信号波形，此时需要配置三态缓冲门电路作为总线驱动器。另外，要注意保证总线的负载平衡。
　　
总线上安装上拉电阻可以提高总线信号传输的可靠性，不仅可以提高信号电平，还可以提高总线的抗电磁干扰能力、抑制静电干扰、削弱反射波干扰。芯片具有内置上拉电阻时，不用在外电路安装上拉电阻。对于电路上的芯片引脚，将不使用的输入端固定在高电平，可增强外部电磁干扰的抑制。
　　
3 结语
　　
当电磁干扰不强、电路板尺寸不大时，以上EMC保护手段从成本角度来看也许可以不用考虑。但是随着现代开关电源控制精度的提高，对于电路的稳定性要求更高，为了保证高灵敏度开关电源的可靠性，采取合理的电磁兼容性设计具有非常重要的实践意义。