layout與PCB的關(guān)系--開關(guān)電源
由于開關(guān)電源的開關(guān)特性,容易使得開關(guān)電源產(chǎn)生極大的電磁兼容方面的干擾,作為一個電源工程師、電磁兼容工程師,或則一個 PCB layout 工程師必須了解電磁兼容問題的原因已經(jīng)解決措施,特別是 layout 工程師,需要了解如何避免臟點(diǎn)的擴(kuò)大,本文主要介紹了電源 PCB 設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201807/384341.htmlayout與PCB的29個基本關(guān)系
1、幾個基本原理:任何導(dǎo)線都是有阻抗的;電流總是自動選擇阻抗最小的路徑;輻射強(qiáng)度和電流、頻率、回路面積有關(guān);共模干擾和大 dv/dt 信號對地互容有關(guān);降低 EMI 和增強(qiáng)抗干擾能力的原理是相似的。
2、布局要按電源、模擬、高速數(shù)字及各功能塊進(jìn)行分區(qū)。
3、盡量減小大 di/dt 回路面積,減小大 dv/dt 信號線長度(或面積,寬度也不宜太寬,走線面積增大使分布電容增大,一般的做法是:走線的寬度盡量大,但要去掉多余的部分),并盡量走直線,降低其隱含包圍區(qū)域,以減小輻射。
4、感性串?dāng)_主要由大 di/dt 環(huán)路(環(huán)形天線),感應(yīng)強(qiáng)度和互感成正比,所以減小和這些信號的互感(主要途徑是減小環(huán)路面積、增大距離)比較關(guān)鍵;容性串?dāng)_主要由大 dv/dt 信號產(chǎn)生,感應(yīng)強(qiáng)度和互容成正比,所有減小和這些信號的互容(主要途徑是減小耦合有效面積、增大距離,互容隨距離的增大降低較快)比較關(guān)鍵。
5、盡量利用環(huán)路對消的原則來布線,進(jìn)一步降低大 di/dt 回路的面積,如圖 1 所示(類似雙絞線利
用環(huán)路對消原理提高抗干擾能力,增大傳輸距離):
圖 1 ,環(huán)路對消( boost 電路的續(xù)流環(huán))
6、降低環(huán)路面積不僅降低了輻射,同時還降低了環(huán)路電感,使電路性能更佳。
7、降低環(huán)路面積要求我們精確設(shè)計(jì)各走線的回流路徑。
8、當(dāng)多個 PCB 通過接插件進(jìn)行連接時,也需要考慮使環(huán)路面積達(dá)到最小,尤其是大 di/dt 信號、高頻信號或敏感信號。最好一個信號線對應(yīng)一條地線,兩條線盡量靠近,必要時可以用雙絞線進(jìn)行連接(雙絞線每一圈的長度對應(yīng)于噪聲半波長的整數(shù)倍)。如果大家打開電腦機(jī)箱,就可以看到主板到前面板 USB 接口就是用雙絞線進(jìn)行連接,可見雙絞線連接對于抗干擾和降低輻射的重要性。
9、對于數(shù)據(jù)排線,盡量在排線中多安排一些地線,并使這些地線均勻分布在排線中,這樣可以有效降低環(huán)路面積。
10、有些板間連接線雖然是低頻信號,但由于這些低頻信號中含有大量的高頻噪聲(通過傳導(dǎo)和輻射),如果沒有處理好,也很容易將這些噪聲輻射出去。
11、布線時首先考慮大電流走線和容易產(chǎn)生輻射的走線。
12、開關(guān)電源通常有 4 個電流環(huán):輸入、輸出、開關(guān)、續(xù)流,(如圖 2 )。其中輸入、輸出兩個電流環(huán)幾乎為直流,幾乎不產(chǎn)生 emi ,但容易受干擾;開關(guān)、續(xù)流兩個電流環(huán)有較大的 di/dt ,需要注意。
圖 2 , Buck 電路的電流環(huán)
13、mos ( igbt )管的柵極驅(qū)動電路通常也含有較大的 di/dt 。
14、在大電流、高頻高壓回路內(nèi)部不要放置小信號回路,如控制、模擬電路,以避免受到干擾。
15、減小易受干擾(敏感)信號回路面積和走線長度,以減小干擾。
16、小信號走線遠(yuǎn)離大 dv/dt 信號線(比如開關(guān)管的 C 極或 D 極,緩沖 (snubber) 和鉗位網(wǎng)絡(luò)),以降低耦合,可在中間鋪地(或電源,總之是常電位信號)進(jìn)一步降低耦合,鋪地和地平面要良好接觸。小信號走線同時也要盡量遠(yuǎn)離大 di/dt 的信號線,防止感性串?dāng)_。小信號走線最好不要走到大 dv/dt 信號的下方。小信號走線背面如果能夠鋪地(同性質(zhì)地),也能降低耦合到的噪聲信號。
17、比較好的做法是,在這些大 dv/dt 、 di/dt 信號走線(包括開關(guān)器件的 C/D 極、開關(guān)管散熱器)的周圍和背面鋪地,將上下兩層鋪地用過孔連接,并將此地用低阻抗走線接到公共接地點(diǎn)(通常為開關(guān)管的 E/S 極,或取樣電阻)。這樣可以減小輻射 EMI 。要注意,小信號地一定不能接到此屏蔽地上,否則會引入較大干擾。大 dv/dt 走線通常會通過互容將干擾耦合到散熱器及附近的地,最好將開關(guān)管散熱器接到屏蔽地上,采用表貼開關(guān)器件也會降低互容,從而降低耦合。
18、易產(chǎn)生干擾的走線最好不要使用過孔,它會通過過孔干擾過孔所穿過的所有層。
19、屏蔽可以降低輻射 EMI ,但由于增大了對地的電容,會使傳導(dǎo) EMI (共模,或非本征差模)有所增大,不過只要屏蔽層接地得當(dāng),不會增大很多。實(shí)際設(shè)計(jì)中可權(quán)衡考慮。
20、要防止共阻抗干擾,采用一點(diǎn)接地,電源從一點(diǎn)引出。
21、開關(guān)電源通常有三種地:輸入電源大電流地、輸出電源大電流地、小信號控制地,地的連接方法見如下示意圖:
22、接地時首先應(yīng)先判斷地的性質(zhì),再進(jìn)行連接。采樣及誤差放大的地通常應(yīng)當(dāng)接到輸出電容的負(fù)極,采樣信號通常應(yīng)從輸出電容的正極取出,小信號控制地和驅(qū)動地通常要分別接到開關(guān)管的 E/S 極或取樣電阻上,防止共阻抗干擾。通常 IC 的控制地和驅(qū)動地不單獨(dú)引出,此時取樣電阻到上述地的引線阻抗必須盡量小,最大程度減小共阻抗干擾,提高電流采樣的精度。
23輸出電壓采樣網(wǎng)絡(luò)最好靠近誤差放大器,而不是靠近輸出端,這是由于低阻抗信號比高阻抗信號更不容易受到干擾,采樣走線對要盡量相互靠近以減小拾取到的噪聲。
24、布局注意電感要遠(yuǎn)離,并相互垂直,以減小互感,尤其是儲能電感和濾波電感。
25、布局注意高頻電容和低頻電容并聯(lián)使用時,高頻電容靠近使用者。
26、低頻干擾一般為差模( 1M 以下),高頻干擾一般為共模,通常通過輻射耦合。
27、如果高頻信號被耦合到輸入引線,很容易形成 EMI (共模),可在輸入引線接近電源處套一個磁環(huán),如果 EMI 降低就表明存在此問題。解決此問題的方法是,降低耦合或降低電路的 EMI 。如果高頻噪聲沒有被過濾干凈而傳導(dǎo)到輸入引線,也會形成 EMI (差模),此時套磁環(huán)不能解決問題,在輸入引線接近電源處串兩個高頻電感(對稱),如果 EMI 降低就表明存在此問題。解決此問題的方法是改善濾波,或采用緩沖、鉗位等手段減小高頻噪聲的產(chǎn)生。
28、差模和共模電流的測量:
29、EMI 濾波器要盡量靠近進(jìn)線,進(jìn)線的走線要盡量短,盡量減小 EMI 濾波器前后級的耦合。進(jìn)線最好用機(jī)殼地進(jìn)行屏蔽(方法如上所述)。輸出 EMI 濾波器也要作類似處理。盡量拉開進(jìn)線和高 dv/dt 信號走線的距離,在布局上要加以考慮。
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