馬永建,是目前中國(guó)最知名和最受尊敬的EMC實(shí)操專家之一,也是擁有20多年航空電子設(shè)備的EMC實(shí)際設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、采購(gòu)和技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn),聞名全國(guó)軍工和汽車(chē)電子界的EMC專家,著有《EMC設(shè)計(jì)工程務(wù)實(shí)》,他的特長(zhǎng)就是讓EMC理論落地,能夠?qū)嶋H解決產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。
隨著技術(shù)進(jìn)步以后,電流變化與電壓變化越來(lái)越大,電子產(chǎn)品的電磁兼容最后越來(lái)越嚴(yán)重。從 90年開(kāi)始,隨著出口產(chǎn)品的增加,打開(kāi)國(guó)門(mén)以后,電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越得到重視。實(shí)際上如果說(shuō)把電流變化率控制住,電壓變化率控制住,基本上就已經(jīng)達(dá)到控制的目的。從前有句話,叫做學(xué)好元器件,做好線路板,基本上就把電子兼容問(wèn)題解決。下面講電源的電磁兼容問(wèn)題,一共分五個(gè)部分,第一部分是供電系統(tǒng),分為集中式,分布式。第二 是單板分布式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的注意事項(xiàng)。第三是在使用過(guò)程中,電源所導(dǎo)致的非理想的返回通道,非理想回路。第四是電源濾波,最后是開(kāi)關(guān)電源,如何產(chǎn)生,如何控制。
供電系統(tǒng)
在設(shè)計(jì)電源的時(shí)候,電源分為這幾種方式來(lái)進(jìn)行供電,一是集中式供電,這樣做價(jià)值非常便宜,但是可靠性差,實(shí)用差,而且效率非常低,但是現(xiàn)在還有企業(yè)在用。第二種是分布式供電,分布式供電分交流分布式和直流分布式。交流分布式將直接面對(duì)交融電,出現(xiàn)的問(wèn)題非常麻煩,價(jià)格也非常昂貴。直流分布式,在安保防護(hù)這方面相互說(shuō)較容易?;蛘呤墙袑蛹芊植际交蛘邌畏捶植际?,層架分布式一層一層的每一層電源供應(yīng)系統(tǒng),如果兩層之間功能相當(dāng)?shù)脑挘梢宰鳛闊醾浞萏幚?,這種做法現(xiàn)在用的比較多,現(xiàn)在最常用單板分布式。一般來(lái)說(shuō),把電壓降到安全范圍內(nèi),然后各個(gè)供應(yīng)口之間不需要專門(mén)的電源維護(hù),但是需要電源模塊可靠性非常高,因?yàn)楝F(xiàn)在電源模塊做的技術(shù)程度比較高,所以可靠性也比較高,不過(guò)從單板單機(jī)來(lái)說(shuō)價(jià)格比較高,維護(hù)成本非常低,所以價(jià)格收益較低,但是實(shí)用性非常好,效率非常高。
單板分布式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)注意事項(xiàng)
現(xiàn)在所有電源設(shè)計(jì)大部分是單板設(shè)計(jì),當(dāng)硬件,方案確定下來(lái)以后,就要選用什么?選用一個(gè)電壓電流和功率,確定芯片工作電壓,確定電源的供應(yīng)電壓。設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要注意,不要選多品種,要想方設(shè)法把電壓分的品種越多越好。主流的器電,電壓的變化 不要太多,因?yàn)樵谡麄€(gè)一個(gè)板子上面,如果電壓太多的話,電壓之間隔離,隔離就存在一種溝槽或者隔離帶,之間不能對(duì)流。
第二個(gè)點(diǎn),如果電壓確定下來(lái)以后要確定輸出電流。因?yàn)殡y過(guò)較大,所以這里講有兩個(gè)方法,第一個(gè)方法在設(shè)計(jì)之前要進(jìn)行估算,這個(gè)值只能說(shuō)是估算值,因?yàn)橐M(jìn)行降額設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)完成以后要進(jìn)行實(shí)際的精確測(cè)量,看單板上面到底多大的電流和功率,這是要考慮。因?yàn)榻殿~設(shè)計(jì),如果降額不大,很有可能導(dǎo)致你的電源故障或者不工作。比如說(shuō)降額不足,重載,這樣導(dǎo)致電源長(zhǎng)期工作的時(shí)候,可能會(huì)發(fā)熱,會(huì)導(dǎo)致故障,甚至?xí)罊C(jī)。輕載以后,大馬拉小車(chē),效率很低。
第二個(gè)問(wèn)題,電磁兼容問(wèn)題,當(dāng)電容設(shè)計(jì)的時(shí)候,有濾博器或者濾波電路,用的都是反射濾波,濾波電路或者濾波器的阻抗是適配,干擾電流和干擾電壓反回去,這樣不會(huì)推過(guò)濾波器和濾波電路,負(fù)載阻抗低了很多,就打破了濾波電路設(shè)計(jì)的最基本的原理。電源模塊在用的時(shí)候,要求負(fù)載要達(dá)到整個(gè)模塊的要求阻抗的10%以上,如果很輕,就不好工作。一定要實(shí)際測(cè)量一下各個(gè)單元的實(shí)際電流多大然后進(jìn)行修整,不 需要那么大就把它降下來(lái),又貴又不好用干嗎用那么大,這是設(shè)計(jì)中間很多人忽視的事,就是輸出電流,大家一定要記住,電源設(shè)計(jì)是要降額的。第三個(gè),如果單板模塊功率不夠,一般用更高功率的模塊來(lái)帶動(dòng),另外一個(gè),兩個(gè)模塊并聯(lián)使用,這種方式經(jīng)常使用,這地方就要注意一個(gè)問(wèn)題,兩個(gè)模塊并聯(lián)的時(shí)候,需要負(fù)載均流,在設(shè)計(jì)中間是需要考慮。第二個(gè),要故障完全隔離,設(shè)計(jì)的時(shí)候兩個(gè)模塊要設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路,一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題以后短路了,另外一個(gè)模塊也不能工作,這個(gè)是很容易犯的錯(cuò)誤,這是年輕工程師犯的錯(cuò)誤,有經(jīng)驗(yàn)的老工程師不會(huì)犯的錯(cuò)誤。
電源導(dǎo)致的信號(hào)非理想的回路
所有信號(hào)包括電源的電流信號(hào),從驅(qū)動(dòng)端到接受端,最終都要返回驅(qū)動(dòng)端,這點(diǎn)非常非常重要。當(dāng)設(shè)計(jì)單層板的時(shí)候,設(shè)計(jì)一個(gè)線,多層板設(shè) 的時(shí)候,只設(shè)計(jì)信號(hào)線,而從來(lái)不關(guān)照回家線。它回來(lái)有兩種模式,一個(gè)是沿著電源平面回流,一個(gè)是按照地平面回流,這是回路。出去信號(hào)最終 一定要回來(lái),但是回流的時(shí)候,這個(gè)回路的電流,一定走的阻抗最小的路徑,也就是說(shuō)大部分時(shí)間是電感最小的路徑。信號(hào)的回路面積與場(chǎng)強(qiáng)成正比,因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候,電磁兼容性,很重要的因素就是回路面積。
設(shè)計(jì)的時(shí)候有一句話,叫做回路面積最小化,這是設(shè)計(jì)的最重要的原則。一個(gè)線路板在設(shè)計(jì)的時(shí)候,一定是多品種多種類(lèi)的電源系統(tǒng),一塊板子上面有好多種電源,之間用溝槽技術(shù)隔離,這設(shè)計(jì)的時(shí)候是必須的,核心的器件,有意的把它中間要進(jìn)行隔離,防干擾。一塊板子,到處都是溝槽,如果按照電源層面回流的時(shí)候,這是一個(gè)溝槽,這上面是你的線,這是信號(hào)層,回流按照電源層回流,電流回來(lái)了以后過(guò)不去了,就相當(dāng)于什么呢? 咱們講的抗日戰(zhàn)爭(zhēng)的時(shí)候,一個(gè)碉堡挖一個(gè)戰(zhàn)壕,人跨那個(gè)戰(zhàn)壕,怎么跨?只有能力強(qiáng)的人或者高手翻下去翻上來(lái)。
同樣,如果回流有一部分可以通過(guò)耦合,兩個(gè)溝槽之間一定有一個(gè)電容性的接觸面,通過(guò)這個(gè)耦合跨過(guò)去,但是大部分跨不過(guò)去,它要回去,不回去不行,就要找通路,繞著溝槽開(kāi)始找,溝槽多長(zhǎng)繞多長(zhǎng),這是理想化的。。但是線路板每層板之間的間距非常小,線路間就有耦合電容,很有可能它的回流電 流耦合到另外一個(gè)板上去,線路串?dāng)_就發(fā)生了,這是非常嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中間,這是非常非常致命,而且非常嚴(yán)重。同時(shí),穿過(guò)同一溝槽走線間會(huì)有很高的耦合系數(shù),溝槽本身的能量耦合到夾縫中,并通過(guò)夾縫線傳播到其他的信號(hào)上。相當(dāng)于一個(gè)傳輸線把整個(gè)耦合的噪聲在所有線上傳輸,只要跨過(guò)這個(gè)線上就經(jīng)過(guò)耦合,這樣噪音就跨過(guò)來(lái)跨過(guò)去。為什么仿真軟件不能完全用于實(shí)用,因?yàn)闆](méi)法建模,不知道耦合哪去,實(shí)際上能找,每層剖析,先每層計(jì)算,找間距的大小,介質(zhì)的影響等等,整個(gè)一個(gè)找過(guò)來(lái),但是都是一個(gè)可能的途徑,真是這個(gè)途徑嗎?所以在做的過(guò)程中,這個(gè)是大忌。
電源分配系統(tǒng)造成了這個(gè)非理想的回路,因?yàn)楸旧砭瓦@么畫(huà)過(guò)來(lái)畫(huà)過(guò)去,事后沒(méi)辦法補(bǔ)救,只有設(shè)計(jì)的時(shí)候處理。那怎么辦呢?一定要從電源層面進(jìn)行回流, 不能從地平面進(jìn)行回流,第一種,就是說(shuō)在溝槽上面,在信號(hào)返回的通道上面架橋。這個(gè)是溝槽,將這個(gè)拉開(kāi),我在上面架橋,信號(hào)的平率電流多少,然后選擇這個(gè)頻率的這個(gè)電流,協(xié)定頻率,一個(gè)電流的協(xié)定平率點(diǎn),這個(gè)阻抗是最小的,按照這個(gè)原理,電容架在兩邊,這是架橋過(guò),回流過(guò)不來(lái),就架橋過(guò)。
第二個(gè)用插分線傳輸,插分線是對(duì)線,最好是用地平面回流,那是最好的,所以非理想回路這一塊,做到中間盡可能不要存在,或者說(shuō)做的時(shí)候,也要考慮好的信號(hào)出去以后怎么樣回來(lái),要保證回路面積最小化,因?yàn)樗绊懱蟆?br />
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