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交流稳压电源电路设计技巧(一):接地与布线

任何电子或交流稳压电源电气电路都有一个根本特点,即电路中出现的电压都有一个公共的参阅点,这个参阅点习气称为地。这个术语源自电气工程实践活动,在这些活动中参阅点经常是指钉入大地的一颗铜钉。

这个点也可能是交流稳压电源与电路之间的的一个衔接点,此刻这个点被称为0V(零伏)轨,而地和0V一般是近义词(有些令人困惑)。这样,当我们谈到5V交流稳压电源或-12V交流稳压电源或2.5V参阅电压时,这些电压的参阅点都是0V轨。

而实际地并不等同于0V。依据安全的原因,需求用地线将设备衔接到大地,在正常作业中地线是不承载电流的。然而,本文中的“接地”一词是按一般的含义运用的,包括安全地以及信号与交流稳压电源回来途径。

电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然以为是一样的。事实上,在一个作业电路中只有一个点是真实的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是由于任何实际导体都有有限的非零电阻和电感,欧姆定律通知我们,在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两头发作一个电压。

一个作业中的电路将在指定为0V轨的这些导体中构成电流活动,因而如果轨的任何一点处于真实的0V(比方交流稳压电源连线),那么轨的其它部分将不等于0V。这种状况能够用图1.1中的比方来解说。

交流稳压电源电路设计技巧(一):接地与布线

图1.1 0V轨沿线的电压。

假定0V导体具有10mΩ/英寸的电阻,A、B、C和D点别离间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是:

VC = (I1 + I2 + I3) × 10 mΩ = 400 μV

VB = VC + (I1 + I2) × 10mΩ = 700 μV

VA = VB + (I1) × 10mΩ = 900 μV

现在,经过上述浅显易懂的介绍后,你可能会说,世界上存在不计其数的电路,它们必定都有0V轨,但它们的作业看起来好得很,因而有什么问题呢?大多数状况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧等级,电流是毫安,因而构成的几百微伏的压降依据不会损害到电路。0V加上500 μV仍是十分挨近0V,没有人会忧虑。

这样的答复问题在于,很简单让人忘掉0V轨,并以为在一切条件下都是0V,但当电路发作振动或不能作业时会让人大吃一惊。可能发作问题的那些条件是:

● 当测得的活动电流单位为安培而不是毫安或微安时;

● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时;

● 最终压降不论值是多少,其数量级或配置状况都将影响到电路正常作业。

什么时候考虑接地?

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优异的交流稳压电源电路规划师的优异品质之一是,知道何时需求慎重考虑这些条件,何时能够安全地疏忽这些条件。一般的复杂性在于,你作为交流稳压电源电路规划师可能不负责电路地图,地图规划要交给专门的地图人员完成(他们又可能会将许多布线战略交给软件包)。接地对地图来说总是灵敏的,不论是分立的布线仍是印刷电路板,如果规划要求比较高,规划师就有必要在这方面具备必定的知识,并进行有用操控。

这儿的技巧是要保证你知道哪里有地回来电流在活动,这种活动有什么结果。或许如果这太复杂的话,保证不论这些电流在哪里活动,构成的不良结果最小。尽管上述谈论的对象是0V和地线,由于它们是最被认可的,但问题的本质是普遍性的,适用于电流流经的任何导体。交流稳压电源轨(或轨)是别的一种特殊状况,此刻的导体阻抗可能会发作问题。

在一个单元内的接地

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“单元”指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆,因而你能够断定一个“部分”的接地点,比方主交流稳压电源地的接入点。图1.2给出了一个比方。

交流稳压电源电路设计技巧(一):接地与布线

 图1.2 典型的单元内部走线机制

假定如印刷电路板(PCB)1包括输入信号调理电路,PCB2包括用于信号处理的微处理器,PCB3包括大电流输出驱动器,比方用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把一切这些功用放在分隔的板上,但如果按分隔的办法考虑能够更简单描绘和理解其间的原理。

交流稳压电源单元(PSU)为前两块电路板供给低压交流稳压电源,为输出电路板供给较高的交流稳压电源。这是一种适当普遍的体系地图,图1.2能够用作说明好坏实践的起点。

机箱地

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首要需求留意的是,地线只衔接到金属机箱或外壳的一个点。一切需求连到机箱的地线都被引到这个点,这个点应该是专用于此意图的金属螺柱。

这些连线有主交流稳压电源安全地(后边会有更详细的评论)、0V交流稳压电源轨以及交流稳压电源自身可能要求的任何屏蔽与滤波衔接(如变压器中的静电屏蔽)。

机箱单点接地的意图是为了避免在机箱中构成循环电流1。如果运用多个接地点,即便存在别的一条电流回来途径,机箱中也会有与之成份额的电流活动(图1.3)。详细份额则取决于阻抗比,而阻抗又取决于频率。

交流稳压电源电路设计技巧(一):接地与布线

图1.3 具有多个接地点的回来电流途径

这种电流很难猜测,而且可能遭到结构变化的影响,因而它们会发作极端意外又令人恼火的效应:可能花了很长时刻去盯梢振动或搅扰问题,最终发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。

机箱衔接处会受腐蚀的影响,因而单元性能可能随时刻推移而劣化,而且会受机箱材料外表氧化的影响。如果你运用多点机箱接地,那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。

可是,当要求射频屏蔽和/或低电感接地时,多点接地也许是有必要的。

接地环路

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机箱单点接地的别的一个理由是,循环的机箱电流与其它接地线结合在一同时会发作所谓的“接地环路”,这是低频磁感应搅扰的一个重要来历。

磁场感应出的电流只能在闭环电路中活动。磁场广泛存在于交流稳压电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz),还有开关交流稳压电源中运用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围,如电流接触器、螺线管和电扇。一同还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.4所示。

交流稳压电源电路设计技巧(一):接地与布线

 图1.4:接地环路

楞次定律通知我们,环路中感应的电动势(EMF)是:

V = -10-8 × A × n × dB/dt

其间A是单位为cm2的环路面积,B是假定均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度,n是匝数(单匝环路时n=1)。

举个比方,在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机邻近一般有一个10 μT 50Hz的磁场,它们以适宜的视点穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处装置一段导体并在两头接地的状况下构成的),这时感应到的电动势是:

V = -10-8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t)= -10-8 × 10 × 1000π × cos ωt= 314 μV peak

磁场感应一般是一种低频现象(除非你刚好十分接近一台大功率的无线发射器),从这个比方能够看出,在大多数状况下感应到的电压是很低的。但在低电平运用中,特别是音频和精密仪器,这些电压就变得适当明显。如果输入电路包括一个接地环路,搅扰电压将与有害信号一同直接注入进来,而且无法别离。处理这个问题的办法有:

● 经过只在一点接地打开环路

● 经过将损害线接近地平面或机箱布线或直接短路来削减环路面积(上面公式中的A项)

● 经过从头调整环路或搅扰源的方位或方历来削减归一化到环路的磁通量

● 削减搅扰源,比方运用环形变压器

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