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实用EMI噪讯对策讲座(11)—— DC电源与Ground

我爱方案网| EMI,噪讯,DC电源与Ground| 2011-11-30
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中心议题:
    *  Switching Regulator与噪讯
    *  基板内的布线
    *  电容器的种类与分类方法

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最后:
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439


几乎所有电子电路都是以DC电源动作,DC电源使用机器内部的电池,电池分为1次电池与2次电池。电池消耗电源会造成电压变动,因此必需进行电压控制。

搁置型电子机器,通常提供AC电源给机器,再将AC电源转换成DC定电压电源,该电源设备分成「Series Pass Regulator」与「Switching Regulator」两种。Series Pass Regulator将AC电源整流,再用电容器使整流电压平整化,接着利用电压下降作一定电压的控制。 
 
Switching Regulator与噪讯

若与Switching Regulator方式比较,结构简单是Series Pass Regulator方式主要特征,反面缺点是电压下降变成损失;相较之下Switching Regulator采取Switching控制方式(图1),透过Switching控制可以获得低损失、高效率的控制效益,不过该电源电流是在该系统中作最大电流控制,因此容易产生很大的切换噪讯,此外整流AC电源时产生的高频波对电源端会有不良影响(图2)。
   
为防止放射噪讯一般会将电子电路放置在筐体(金属)内,利用筐体作遮蔽放射噪讯,因为使用裸露电子电路非常危险。如图3所示导线会传递噪讯,噪讯从AC端(输入端)与DC端(输出端)流出,该噪讯在输出与输入端,同时具备一般模式噪讯(Common Mode Noise)与标准模式噪讯(normal Mode Noise),因此必需消除标准模式的噪讯,有关一般模式噪讯,在DC的负载亦即电子电路整体,若是以相同一般模式振动的话,理论上对电子电路内部没有不良影响,例如电车以一定速度奔驰时,车厢内的乘客即使垂直向上跳跃也会回到原位,同样道理即使对电子电路施加一般模式电压,电子电路依旧可以正常动作,然而实际上印刷电路基板内的电源线与Ground线属于不平衡电路,所以对电子电路有不良的影响。
   
如图3所示Ground线除了是电源本身的折返线之外,同时也是信号的折返线 ,因此电源线与Ground线无法取得平衡。平衡的信号线本身必需具备折返线,不过一般信号几乎都使用共通折返线,将Ground当作折返线使用。

强大不平衡电路的一般模式必需大幅标准模式化,因为标准模式属于有害噪讯,必需进行充分的噪讯对策。虽然Switching Regulator内部本身具备防止噪讯泄漏到外部的滤波器,不过大多都不够充分,此时可以在Switching Regulator的出口端实施噪讯对策(图4)。
   
 

 


图中的L1与C1都是标准模式用滤波器,L1与C1辅助Switching Regulator内部的电容器CP形成TT型滤波器,它可以强化Switching Regulator内部滤波功能。图中的C2与C3是一般模式用滤波器,该电容器的中点Ground有大噪讯电流流动,必需布线防止发生Signal Ground(图中的电压基准Ground)与共通阻抗(impedance)。

从DC电源一直到印刷基板的DC电源线、DC电源导线,噪讯很大的导线必需分离避免受到影响,如果导线并行近距离排列很容易接收噪讯,不得已的场合导线可以相互直交排列,建议此时导线使用电源线与Ground线缠绕构成的捻线(Twist Pair)。

在印刷基板以Switching Regulator控制的电源,分成直接使用以及依照各印刷基板设置Local Regulator两种方式(图5)。系统规模很大、印刷基板数量很多的场合,可以依照各印刷基板设置Local Regulator方式,这种对策对抑制噪讯非常有效。

基板上的Regulator可以使用Series Pass Regulator IC,或是DC/DC变频器(Converter)。输出、入使用DC的Switching Regulator时称为「DC/DC变频器(Converter)」。

DC/DC变频器又分为可以使输入升压的「升压型」、下压的「降压型」、两方向改变的「升降压型」、可以使正负反转的「反转型」等等,此外还有可以使输出、入绝缘的「绝缘型」,不过上述情况不需使用「绝缘型」DC/DC变频器。
 

基板内的布线

基板内的电源与Ground线都必需制作共通阻抗,而且该阻抗必需非常低,如此一来共通阻抗造成的影响可以降至最低范围,这意味着电源线与Ground线的阻抗必需非常低。

在模拟低频电路基于去除共通阻抗的需要,通常使用称为「1点接地」的接地方式,电源导线若比照1点接地方式布线的话,可以获得极佳状态。不过电源导线若与Ground线比较,电源导线作1点接地的必要性并不高。

模拟高频电路使用Betta pattern,所谓「Betta pattern」原本称为「Betta earth」,不过电源pattern必需尽量采用Betta pattern方式。

数字基板高密度封装时经常使用4层以上的基板,多层电路基板可以降低电源与Ground的阻抗,pattern本身并无使用4层以上基板的必要性,主要是针对噪讯对策不得不使用多层电路基板,4层以上的基板价格相当高,建议读者不妨将电源与Ground的pattern尽量塞入有限的空间,藉此取代全部采用Betta pattern的设计。

电源Ground导线要求电源线与Ground线低阻抗特性,此外还需要设置旁通电容器(bypass condenser),利用旁通电容器与电源、Ground的连接,能够针使电源与Ground之间的高频波阻抗降低。导线亦即印刷基板的图案(pattern)具有阻抗,旁通电容器主要功能就是利用该阻抗抑制电压下降,不过此时必需注意不能完全仰赖旁通电容器降低导线的阻抗,建议读者采用图6所示2段旁通电容器设计方式补强。
   
 

 


第1段旁通电容器设置在电源与Ground进入基板处,如果基板内设有Regulator时,可以设置在Regulator出口处。设置在基板入口的旁通电容器,会针对基板导线撷取的噪讯发挥噪讯滤波功能。

为强化滤波目的某些设计合并使用电感,构成所谓的LC滤波器(L输入)结构。如图7所示,第2段旁通电容器设置在IC、电源、Ground附近。
 
原则上各IC都必需设置旁通电容器,不过IC的消费电流与动作频率很低,或是噪讯对策的重要性不严苛时,2~3个IC设置1个旁通电容器的比率即可。
   
旁通电容器2段化主要原因是单纯1段时,面对宽广频率效果有限,基板入口处的旁通电容器如果使用可以支持低频的大容量电容器,对低频频宽效果非常显著,此时可以使用数μ~数十μ铝质或是钽质电容器,基板的电容量越高必需使用容量越大的电容器。

IC附近的第2段旁通电容器必需具备高频效果,因此到旁通电容器与IC脚架的导线越短越好,如图8所示由于导线本身的电感会抵销旁通电容器的效果。
   

电容器的种类与分类方法

「Condenser」一词有凝聚的意思,它被用来凝聚电气(电子)。电容器有许多种类彼此特性相异,它的形式、目的、用途也不相同。

图9是各种电容器的特性一览,图的上方是铝质电容器,下方是电解电容器的特性;表1 是各种电容器的特征一览(包含Styrol电容器与Mylar电容器)。
 

表1 各种电容器的特征

 

 


   
铝质电解电容器主要特征是小型、大容量、低价,缺点是频率特性较差;钽质电容器的频率特性比铝质电解电容器优秀,容量偏低、高价是主要缺点,钽质电容器经常被设置在基板的入口,当作旁通电容器使用。

要求大容量时有积层陶瓷电容器可供选择,它的频率特性非常优越,相较于钽质电容器的低可靠性,积层陶瓷电容器经常被设置在基板的入口处,当作旁通电容器使用 。

2段旁通电容器属于高频旁通,要求频率特性优越的电容器,因此经常使用陶瓷电容器,不过圆盘状的陶瓷电容器容量都很低,要求大容量高频特性时,可以使用2个陶瓷电容器;只要求大容量时建议改用Mylar电容器或是钽质电容器;只要求高频特性时可以改用陶瓷电容器。

上述积层陶瓷电容器的容量比形电容器大,频率特性也比较优秀,许多设计使用一个积层陶瓷电容器,支持高频到低频的需求。

电容器单体的频率特性在高频时容易劣化,主要原因是组件的导线造成,改善电容器的频率特性必需针对导线进行对策,具体结果例如3端子电容器与贯穿电容器都是典型代表(图11)。

图11(a)是3端子电容器的外观,如果依照图11(c)使用,可以利用导线降低电感;图12是3端子电容器的特性。
   
图13是贯穿电容器的断面结构,如图所示贯穿电容器呈圆筒状,内部的电容电极就是导线本体,外部电极直接与Chassis的固定对象物连接,所以外观上完全没有导线,频率特性接近理想状态,缺点是受到结构上的限制它的容量非常小。

贯穿电容器除了当作电容器使用,还被当作无孔穴的遮蔽(shield) 使用,由于遮蔽效应会被孔穴抵销,在遮蔽筐体导线通过部若设置贯穿电容器,可以获得无孔穴的效果。

无导线电容器的频率特性比传统有导线电容器优秀。表面封装用电容器没有导线直接固定在基板表面,它的频率特性比有导线电容器更优秀。
 

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最前:
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432
 

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