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IC電路中電源系統(tǒng)的EMC研究與分析

作者: 時(shí)間:2012-09-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

 隨著電子、電力電子、電氣設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣泛,設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿了整個(gè)設(shè)備空間,形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境從而造成了電磁干擾等情況。尤其在中,電磁環(huán)境最復(fù)雜,所受的干擾影響也最嚴(yán)重。本文中將就高速數(shù)字設(shè)計(jì)做深入,商討避免或減少電磁干擾的方法。
  一、 電磁兼容的相關(guān)知識(shí)
  國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4765-1995《電磁兼容術(shù)語》對電磁兼容所下的定義:“設(shè)備或在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。”
  二、 的電磁干擾方式
  電源干擾的復(fù)雜性原因之一是包含了許多可變的因素。首先,電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在,這是根據(jù)電磁干擾噪聲對于作用的形態(tài)來進(jìn)行劃分的,如圖1所示。任何電路中都存在共模和差模電流。共模和差模電流決定了傳播的電磁能量的大小。如果給定一對導(dǎo)線,一個(gè)返回參考平面,那么這兩種模式中至少有一種將會(huì)存在,但通常是共存。一般來說,差模信號(hào)攜帶數(shù)據(jù)或有用信息,而共模信號(hào)是差模信號(hào)的負(fù)面效果,不包含有用信息,是輻射的主要來源,解決起來相當(dāng)?shù)穆闊?/span>

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/176216.htm

共模與差模干擾示意圖  www.elecfans.com


  

圖1共模與差模干擾示意圖

三、 電源系統(tǒng)的電磁干擾類型
  造成電源干擾復(fù)雜性的第二個(gè)原因是干擾表現(xiàn)的形式很多,從持續(xù)期很短的尖峰干擾直至電網(wǎng)完全失電,其中也包括了電壓的變化(如電壓跌落、浪涌和中斷)、頻率變化、波形失真(包括電壓和電流的)、持續(xù)噪聲或雜波,以及瞬變等。我們根據(jù)國內(nèi)外的抗擾度測試的一系列標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用中常常出現(xiàn)的問題,總結(jié)了電源干擾的常見起因,如表1所示。


  四、 電磁干擾的途徑
  從電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)來說,電磁干擾基本上被分成傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲。這也是一種直觀分類,一種是接觸性的干擾,一種是非接觸性。電磁干擾就其實(shí)際作用于電路的機(jī)理有四種傳輸方式:傳導(dǎo)耦合,電磁場耦合,磁場耦合和電場耦合,如圖2所示。


  

圖2耦合方式
  1 抗干擾措施
  因?yàn)橹绷鞣€(wěn)壓電源既是一個(gè)敏感器件也是一個(gè)噪聲源,因此我們就有如下的濾波策略:一個(gè)是對電源系統(tǒng)的前端入口處進(jìn)行濾波。因?yàn)橥饨鐚﹄娫聪到y(tǒng)的影響基本上都是通過入口的電源線引入到電源系統(tǒng)中的。無論是傳導(dǎo)噪聲,還是輻射噪聲都是會(huì)耦合到電源線上。因此,該處的濾波要精心處理。二是電源系統(tǒng)的出口,一般來說,這里不應(yīng)該有太多問題,因?yàn)槲覀冞x擇和設(shè)計(jì)電源時(shí),都要基于一定的參數(shù)和性能指標(biāo)。但是為了解如何能夠達(dá)到最佳的電源性能,需要考慮出口的濾波性能。
  如圖3所示是對所有可能噪聲干擾路徑的噪聲抑制的方法。這就分成兩種方法,一種是EMI濾波器,一種是屏蔽。屏蔽更多是涉及到機(jī)殼整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),往往對系統(tǒng)的布局布置有更多考慮。從電路設(shè)計(jì)的角度,我們更多的是要考慮EMI濾波器。因?yàn)楦鼮閺V泛的干擾都是從線路上溢出或是從線路上的耦合中產(chǎn)生的,因此在線路上的濾波對輻射的抑制效果更明顯一點(diǎn)。


  

圖3抗干擾措施
  2 電源系統(tǒng)的板級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)
  在電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是電源系統(tǒng)的板級(jí)電路設(shè)計(jì)問題,這也是從電源技術(shù)的選擇、電源架構(gòu)的搭建、電源器件的定型,以及電源濾波的設(shè)計(jì)等一系列的概念設(shè)計(jì)(原理設(shè)計(jì))問題走向了最終的物理實(shí)現(xiàn)(PCB 設(shè)計(jì))的過程。
  在設(shè)計(jì)數(shù)字電路系統(tǒng)中,我們要通過電源分配系統(tǒng)(Power Distribution System)達(dá)到兩個(gè)基本的目的:為數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的電壓參考,為所有邏輯器件分配電源。
  在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中,要達(dá)到這兩個(gè)目的已經(jīng)越來越復(fù)雜了。在高速數(shù)字電路系統(tǒng)中,信號(hào)完整性問題變得非常的突出。一個(gè)非常重要的問題就是電源分配系統(tǒng)的軌道塌陷(Rail Collapse)。由于電源技術(shù)呈現(xiàn)出低電壓、開關(guān)電源開關(guān)頻率高頻化等一些不利于解決信號(hào)完整性的狀況,電源完整性被作為一個(gè)新的方向被提了出來。
  通常電源完整性問題主要有兩個(gè)途徑來解決:優(yōu)化電路板的層疊設(shè)計(jì)及布局布線和增加去耦電容。
  下面主要介紹增加去耦電容的方法。
 ?。?)去耦的原理
  去耦電容就像是靠近需求點(diǎn)的能量存儲(chǔ)器一樣。通過在器件附近的電源和地之間添加去耦電容,可在快速突發(fā)周期內(nèi)來提供獨(dú)立于電源的能量,通過足夠的儲(chǔ)量保證所需要的電壓對于一個(gè)給定的電流 I,紋波電壓或電壓降可以用公式(1)表述:


  公式(2)說明了吸取電流導(dǎo)致的電壓降V。正如大多數(shù)的CMOS電路,只有在晶體管開關(guān)時(shí)才會(huì)汲取電流。這意味著當(dāng)開關(guān)時(shí)就汲取電流,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓降而造成電源分布系統(tǒng)的電源紋波噪聲。進(jìn)一步看,隨著處理器速度的增加,紋波噪聲也會(huì)由于更多的邏輯狀態(tài)吸收電流而相應(yīng)的大量增加。
  隨著電路系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的增加,很多情況就不能按照理想的電容器來考慮了。一個(gè)實(shí)際的電容不論是陶瓷電容還是電解電容,都可以被簡化成一個(gè)串聯(lián)RLC的模型。一個(gè)電容模型包括自身的電容C,還包括了等效的串聯(lián)電感 ESL 和等效串聯(lián)電阻ESR這兩個(gè)重要的參數(shù)。這個(gè)串聯(lián)模型的阻抗幅值是:


  等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感都是實(shí)際電容的寄生參數(shù)。

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