开关电源抗干扰的措施

中心议题：

• 介绍屏蔽技术和接地技术
• 讨论印制电路板的抗干扰设计

解决方案：

• 采用屏蔽方法，抑制开关电源电磁干扰
• 采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，隔离交流电源地线的干扰
• 用脉冲变压器和线性光电耦合器隔离数字电路与模拟电路信号，提高整个电路的电磁兼容性
• 印制电路板的抗干扰设计与布局、布线有关

 

开关电源一般采用脉冲宽度调制技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰源，它产生的电磁干扰直接危害着电子设备的正常工作，为了确保开关电源工作的可靠性，必须进行抗干扰设计。抗干扰措施包括屏蔽、接地、PCB板的布局与布线等，这里仅对屏蔽、接地、PCB板的布局与布线这几种抗干扰措施进行分析讨论。
 
屏蔽技术
抑制开关电源电磁干扰的有效方法是屏蔽。即用导电良好的材料对电场进行屏蔽，用导磁率高的材料对磁场进行屏蔽。用电磁屏蔽的方法解决EMI问题的好处是不会影响电路的正常工作。屏蔽技术可分为对发出电磁波部位的屏蔽和易受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，使其电磁波产生衰减。对抗电磁波较弱的元器件，必要的情况下也应采取相应的屏蔽措施。
 
接地技术
a.接地。接地技术是开关电源抗干扰技术和电磁兼容技术的重要内容之一。不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作，根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类。
 
b.交流地与直流地分开。一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外，交流电源的零线上往往存在很多干扰如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此，在开关电源中采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。
 
c.模拟地与数字地分开。随着数字开关电源的开发，为了抑制对数字芯片的干扰，数字芯片与模拟电路必须进行隔离。在数字开关电源中，常用脉冲变压器和线性光电耦合器进行数字电路与模拟电路信号的隔离，以提高整个电路的电磁兼容性。
 
d.功率地与弱电地分开。功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其他弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。
 
印制电路板的抗干扰设计
a.元器件的布局。为了减少噪声的产生和防止由于噪声所引起的误动作， 在进行元器件的布局时，应该注意以下几点：①应该根据印制板的安装方式，把易发热的元器件如稳压器、功率开关器件、变压器等安装在印制板的上方部位， 以利于散热；热敏元件应远离发热元件。②应尽量将相互关联的元器件摆放在起以避免因器件离得太远而造成印制线过长所带来的干扰。③易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离；脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源与出口分离。④应将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。
 
b.印制板布线抗干扰的措施。印制电路板的抗干扰设计不仅与布局有关，而且与布线也有相当大的关系。开关电源PCB抗干扰设计布线的原则：①根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线、接地线宽度，减少环路阻抗；同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力；在装配密度很高的印制电路板时，多采用多层板，可使印制导线的直流电阻R和自感L减小，从而减小印制导线的特性阻抗；在双面板设计中，除尽量加粗电源线和地线的线条外，还应该在电源线和地线之间留出一定的空间，以便安装高频特性好的去耦电容。②控制回路与输出回路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引出天线作用，建议不要采用大面积接地方式。③相邻电路之间不应该有过长的平行线，走线尽量避免平行。如果在设计印制电路板时平行走线无法避免，可在两条平行的信号线之间加一条地线，以起屏蔽作用。尽量拉开两条平行的信号线之间的距离，以降低两线之间电磁场的影响，使两条平行的信号线上流过的电流方向相反。④电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

由于开关电源在体积、重量和效率等方面的优点，已广泛应用于各个领域。但电磁干扰对电子和电气设备的工作有较大影响。可以采取多种手段抑制干扰，有效地提高开关电源的电磁兼容性，使其得到更广泛的应用。
　　
参考文献：
[1]周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[2] 国内著名电磁兼容网站链接:中国电磁兼容网 http://www.emcchina.com
[3]吴昕,钱照明.开关电源印刷电路板电磁兼容问题的研究[J].电子与信息学报,2001,23(2):181-186.

 

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