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如何实现大功率变频电源电路PCB的EMI操控?

跟着IC器材集成度的进步、设备的逐渐小型化和器材的速度愈来愈高,电子产品中的EMI问题也愈加严峻。从体系设备EMC/EMI规划的观念来看,在设备的大功率变频电源PCB规划阶段处理好EMC/EMI问题,是使体系设备到达电磁兼容规范最有用、本钱最低的手法。本文介绍大功率变频电源电路PCB规划中的EMI操控技能。 


一、EMI的发生及按捺原理 

EMI的发生是因为电磁搅扰源经过耦合途径将能量传递给灵敏体系构成的。它包含经由导线或公共地线的传导、经过空间辐射或经过近场耦合三种根本办法。EMI的损害表现为下降传输信号质量,对电路或设备构成搅扰乃至损坏,使设备不能满意电磁兼容规范所规定的技能目标要求。 

为按捺EMI,数字电路的EMI规划应按下列准则进行: 

依据相关EMC/EMI技能规范,将目标分解到单板电路,分级操控。 

从EMI的三要素即搅扰源、能量耦合途径和灵敏体系这三个方面来操控,使电路有平整的频响,保证电路正常、安稳作业。 

从设备前端规划入手,重视EMC/EMI规划,下降规划本钱。 

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如何实现大功率变频电源电路PCB的EMI操控?

二、大功率变频电源电路PCB的EMI操控技能 

在处理各种办法的EMI时,有必要具体问题具体剖析。在数字电路的大功率变频电源PCB规划中,能够从下列几个方面进行EMI操控。 

1.器材选型 

在进行EMI规划时,首先要考虑选用器材的速率。任何电路,如果把上升时间为5ns的器材换成上升时间为2.5ns的器材,EMI会进步约4倍。EMI的辐射强度与频率的平方成正比,最高EMI频率(fknee)也称为EMI发射带宽,它是信号上升时间而不是信号频率的函数:fknee =0.35/Tr (其间Tr为器材的信号上升时间) 

这种辐射型EMI的频率规模为30MHz到几个GHz,在这个频段上,波长很短,电路板上即使十分短的布线也可能成为发射天线。当EMI较高时,电路简单丧失正常的功用。因而,在器材选型上,在保证电路功能要求的前提下,应尽量运用低速芯片,选用适宜的驱动/接纳电路。另外,因为器材的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容,因而在高速规划中,器材封装办法对信号的影响也是不可忽视的,因为它也是发生EMI辐射的重要因素。一般地,贴片器材的寄生参数小于插装器材,BGA封装的寄生参数小于QFP封装。 

2.衔接器的挑选与信号端子界说 

衔接器是高速信号传输的要害环节,也是易发生EMI的薄弱环节。在衔接器的端子规划上可多组织地针,减小信号与地的间隔,减小衔接器中发生辐射的有用信号环路面积,供给低阻抗回流通路。必要时,要考虑将一些要害信号用地针阻隔。 


3.叠层规划 

在本钱答应的前提下,添加地线层数量,将信号层紧邻地平面层能够削减EMI辐射。关于高速大功率变频电源PCB,大功率变频电源层和地线层紧邻耦合,可下降大功率变频电源阻抗,然后下降EMI。 


4.布局 

依据信号电流流向,进行合理的布局,可减小信号间的搅扰。合理布局是操控EMI的要害。布局的根本准则是: 

模仿信号易受数字信号的搅扰,模仿电路应与数字电路离隔; 

时钟线是主要的搅扰和辐射源,要远离灵敏电路,并使时钟走线最短; 

大电流、大功耗电路尽量防止安置在板中心区域,一起应考虑散热和辐射的影响; 

衔接器尽量组织在板的一边,并远离高频电路; 

输入/输出电路接近相应衔接器,去耦电容接近相应大功率变频电源管脚; 

充分考虑布局对大功率变频电源切割的可行性,多大功率变频电源器材要跨在大功率变频电源切割区域鸿沟布放,以有用下降平面切割对EMI的影响; 

回流平面(途径)不切割。 


5.布线 

阻抗操控:高速信号线会出现传输线的特性,需求进行阻抗操控,以防止信号的反射、过冲和振铃,下降EMI辐射。 

将信号进行分类,按照不同信号(模仿信号、时钟信号、I/O信号、总线、大功率变频电源等)的EMI辐射强度及灵敏程度,使搅扰源与灵敏体系尽可能别离,减小耦合。 

严格操控时钟信号(特别是高速时钟信号)的走线长度、过孔数、跨切割区、端接、布线层、回流途径等。 

信号环路,即信号流出至信号流入构成的回路,是大功率变频电源PCB规划中EMI操控的要害,在布线时有必要加以操控。要了解每一要害信号的流向,关于要害信号要接近回流途径布线,保证其环路面积最小。 

对低频信号,要使电流流经电阻最小的途径;对高频信号,要使高频电流流经电感最小的途径,而非电阻最小的途径(见图1)。关于差模辐射,EMI辐射强度(E)正比于电流、电流环路的面积以及频率的平方。(其间I是电流、A是环路面积、f是频率、r是到环路中心的间隔,k为常数。) 


大功率变频电源电路PCB的EMI操控技能

如何实现大功率变频电源电路PCB的EMI操控?

因而当最小电感回流途径恰好在信号导线下面时,能够减小电流环路面积,然后削减EMI辐射能量。 

要害信号不得跨过切割区域。 

高速差分信号走线尽可能选用紧耦合办法。 

保证带状线、微带线及其参阅平面符合要求。 

去耦电容的引出线应短而宽。 

一切信号走线应尽量远离板边际。 

关于多点衔接网络,挑选适宜的拓扑结构,以减小信 号反射,下降EMI辐射。 


6.大功率变频电源平面的切割处理 

大功率变频电源层的切割 

在一个主大功率变频电源平面上有一个或多个子大功率变频电源时,要保证各大功率变频电源区域的连贯性及足够的铜箔宽度。切割线不必太宽,一般为20~50mil线宽即可,以削减缝隙辐射。 


地线层的切割 

地平面层应坚持完整性,防止切割。若有必要切割,要区分数字地、模仿地和噪声地,并在出口处经过一个公共接地点与外部地相连。 

为了减小大功率变频电源的边际辐射,大功率变频电源/地平面应遵从20H规划准则,即地平面尺度比大功率变频电源平面尺度大20H(见图2),这样边际场辐射强度可下降70% 。 

大功率变频电源电路PCB的EMI操控技能


三、EMI的其它操控手法 

1. 大功率变频电源体系规划 

 规划低阻抗大功率变频电源体系,保证在低于fknee频率规模内的大功率变频电源分配体系的阻抗低于目标阻抗。 

运用滤波器,操控传导搅扰。 

大功率变频电源去耦。在EMI规划中,供给合理的去耦电容,能使芯片牢靠作业,并下降大功率变频电源中的高频噪声,削减EMI。因为导线电感及其它寄生参数的影响,大功率变频电源及其供电导线呼应速度慢,然后会使高速电路中驱动器所需求的瞬时电流缺乏。合理地规划旁路或去耦电容以及大功率变频电源层的分布电容,能在大功率变频电源呼应之前,运用电容的储能作用敏捷为器材供给电流。正确的电容去耦能够供给一个低阻抗大功率变频电源途径,这是下降共模 EMI的要害。 


2. 接地 

接地规划是削减整板EMI的要害。 

断定选用单点接地、多点接地或许混合接地办法。 

数字地、模仿地、噪声地要分隔,并断定一个适宜的公共接地点。 

如何实现大功率变频电源电路PCB的EMI操控?

双面板规划若无地线层,则合理规划地线网格很重要,应保证地线宽度>大功率变频电源线宽度>信号线宽度。也可选用大面积铺地的办法,但要注意在同一层上的大面积地的连贯性要好。 

关于多层板规划,应保证有地平面层,减小共地阻抗 


3. 串接阻尼电阻 

在电路时序要求允许的前提下,按捺搅扰源的根本技能是在要害信号输出端串入小阻值的电阻,通常选用22~33Ω的电阻。这些输出端串联小电阻能减慢上升/下降时间并能使过冲及下冲信号变得较滑润,然后减小输出波形的高频谐波起伏,到达有用地按捺EMI的意图。 


4.屏蔽 

要害器材能够运用EMI屏蔽资料或屏蔽网。 

对要害信号的屏蔽,能够规划成带状线或在要害信号的两边以地线相阻隔。 


5.扩频 

    扩展频谱(扩频)的办法是一种新的下降EMI的有用办法。扩展频谱是将信号进行调制,把信号能量扩展到一个比较宽的频率规模上。实践上,该办法是对时钟信号的一种受控的调制,这种办法不会明显添加时钟信号的颤动。实践应用证明扩展频谱技能是有用的,能够将辐射下降7到20dB。 


6.EMI剖析与测验 

仿真剖析 

完结大功率变频电源PCB布线后,能够运用EM I仿真软件及专家体系进行仿真剖析,模仿EMC/EMI环境,以评价产品是否满意相关电磁兼容规范要求。 

扫描测验 

运用电磁辐射扫描仪,对装联并上电后的机盘扫描,得到大功率变频电源PCB中电磁场分布图(如图3,图中赤色、绿色、青白色区域表明电磁辐射能量由低到高),依据测验成果改善大功率变频电源PCB规划。 


大功率变频电源电路PCB的EMI操控技能

结语 :跟着新的高速芯片的不断开发与应用,信号频率也越来越高,而承载它们的大功率变频电源PCB板可能会越来越小。大功率变频电源PCB规划将面对愈加严峻的EMI应战,唯有不断探索、不断创新,才能使大功率变频电源PCB板的EMC/EMI规划取得成功。 

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