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關于工控設備電源等開關電源的layout（版面設計）與PCB的關系

來源：發(fā)布時間：2019-06-11 點擊量：1296

關于工控設備電源等開關電源的layout（版面設計）與PCB的關系

相信大家都了解工控設備電源等開關電源的開關特性，容易使得開關電源產生極大的電磁兼容方面的干擾，作為一個電源工程師、電磁兼容工程師，或則一個 PCB layout 工程師必須了解電磁兼容問題的原因已經(jīng)解決措施，特別是 layout 工程師，需要了解如何避免臟點的擴大，本文主要介紹了工控設備電源等開關電源PCB 設計的要點。

關于工控設備電源等開關電源的layout與PCB的29個基本關系
1、幾個基本原理：任何導線都是有阻抗的；電流總是自動選擇阻抗最小的路徑；輻射強度和電流、頻率、回路面積有關；共模干擾和大 dv/dt 信號對地互容有關；降低 EMI 和增強抗干擾能力的原理是相似的。
2、布局要按工控設備電源等開關電源、模擬、高速數(shù)字及各功能塊進行分區(qū)。
3、盡量減小大 di/dt 回路面積，減小大 dv/dt 信號線長度（或面積，寬度也不宜太寬，走線面積增大使分布電容增大，一般的做法是：走線的寬度盡量大，但要去掉多余的部分），并盡量走直線，降低其隱含包圍區(qū)域，以減小輻射。
4、感性串擾主要由大 di/dt 環(huán)路（環(huán)形天線），感應強度和互感成正比，所以減小和這些信號的互感（主要途徑是減小環(huán)路面積、增大距離）比較關鍵；容性串擾主要由大 dv/dt 信號產生，感應強度和互容成正比，所有減小和這些信號的互容（主要途徑是減小耦合有效面積、增大距離，互容隨距離的增大降低較快）比較關鍵。
5、盡量利用環(huán)路對消的原則來布線，進一步降低大 di/dt 回路的面積，
6、降低環(huán)路面積不僅降低了輻射，同時還降低了環(huán)路電感，使電路性能更佳。
7、降低環(huán)路面積要求我們精確設計各走線的回流路徑。
8、當工控設備電源等開關電源多個 PCB 通過接插件進行連接時，也需要考慮使環(huán)路面積達到最小，尤其是大 di/dt 信號、高頻信號或敏感信號。最好一個信號線對應一條地線，兩條線盡量靠近，必要時可以用雙絞線進行連接（雙絞線每一圈的長度對應于噪聲半波長的整數(shù)倍）。如果大家打開電腦機箱，就可以看到主板到前面板 USB 接口就是用雙絞線進行連接，可見雙絞線連接對于抗干擾和降低輻射的重要性。
9、對于數(shù)據(jù)排線，盡量在排線中多安排一些地線，并使這些地線均勻分布在排線中，這樣可以有效降低環(huán)路面積。
10、有些板間連接線雖然是低頻信號，但由于這些低頻信號中含有大量的高頻噪聲（通過傳導和輻射），如果沒有處理好，也很容易將這些噪聲輻射出去。
11、布線時首先考慮大電流走線和容易產生輻射的走線。
12、工控設備電源等開關電源通常有 4 個電流環(huán)：輸入、輸出、開關、續(xù)流。其中輸入、輸出兩個電流環(huán)幾乎為直流，幾乎不產生 emi ，但容易受干擾；開關、續(xù)流兩個電流環(huán)有較大的 di/dt ，需要注意。
13、mos （ igbt ）管的柵極驅動電路通常也含有較大的 di/dt 。
14、在大電流、高頻高壓回路內部不要放置小信號回路，如控制、模擬電路，以避免受到干擾。
15、工控設備電源等開關電源的減小易受干擾（敏感）信號回路面積和走線長度，以減小干擾。
16、小信號走線遠離大 dv/dt 信號線（比如開關管的 C 極或 D 極，緩沖 (snubber) 和鉗位網(wǎng)絡），以降低耦合，可在中間鋪地（或電源，總之是常電位信號）進一步降低耦合，鋪地和地平面要良好接觸。小信號走線同時也要盡量遠離大 di/dt 的信號線，防止感性串擾。小信號走線最好不要走到大 dv/dt 信號的下方。小信號走線背面如果能夠鋪地（同性質地），也能降低耦合到的噪聲信號。
17、比較好的做法是，在這些大 dv/dt 、 di/dt 信號走線（包括開關器件的 C/D 極、開關管散熱器）的周圍和背面鋪地，將上下兩層鋪地用過孔連接，并將此地用低阻抗走線接到公共接地點（通常為開關管的 E/S 極，或取樣電阻）。這樣可以減小輻射 EMI 。要注意，小信號地一定不能接到此屏蔽地上，否則會引入較大干擾。大 dv/dt 走線通常會通過互容將干擾耦合到散熱器及附近的地，最好將開關管散熱器接到屏蔽地上，采用表貼開關器件也會降低互容，從而降低耦合。
18、易產生干擾的走線最好不要使用過孔，它會通過過孔干擾過孔所穿過的所有層。
19、工控設備電源等開關電源的屏蔽可以降低輻射 EMI ，但由于增大了對地的電容，會使傳導 EMI （共模，或非本征差模）有所增大，不過只要屏蔽層接地得當，不會增大很多。實際設計中可權衡考慮。
20、要防止共阻抗干擾，采用一點接地，電源從一點引出。
21、工控設備電源等開關電源通常有三種地：輸入電源大電流地、輸出電源大電流地、小信號控制地，地的連接方法

22、工控設備電源等開關電源接地時首先應先判斷地的性質，再進行連接。采樣及誤差放大的地通常應當接到輸出電容的負極，采樣信號通常應從輸出電容的正極取出，小信號控制地和驅動地通常要分別接到開關管的 E/S 極或取樣電阻上，防止共阻抗干擾。通常 IC 的控制地和驅動地不單獨引出，此時取樣電阻到上述地的引線阻抗必須盡量小，最大程度減小共阻抗干擾，提高電流采樣的精度。
23輸出電壓采樣網(wǎng)絡最好靠近誤差放大器，而不是靠近輸出端，這是由于低阻抗信號比高阻抗信號更不容易受到干擾，采樣走線對要盡量相互靠近以減小拾取到的噪聲。
24、工控設備電源等開關電源布局注意電感要遠離，并相互垂直，以減小互感，尤其是儲能電感和濾波電感。
25、布局注意高頻電容和低頻電容并聯(lián)使用時，高頻電容靠近使用者。
26、低頻干擾一般為差模（ 1M 以下），高頻干擾一般為共模，通常通過輻射耦合。
27、如果高頻信號被耦合到輸入引線，很容易形成 EMI （共模），可在輸入引線接近電源處套一個磁環(huán)，如果 EMI 降低就表明存在此問題。解決此問題的方法是，降低耦合或降低電路的 EMI 。如果高頻噪聲沒有被過濾干凈而傳導到輸入引線，也會形成 EMI （差模），此時套磁環(huán)不能解決問題，在輸入引線接近工控設備電源等開關電源處串兩個高頻電感（對稱），如果 EMI 降低就表明存在此問題。解決此問題的方法是改善濾波，或采用緩沖、鉗位等手段減小高頻噪聲的產生。
28、差模和共模電流的測量：
29、EMI 濾波器要盡量靠近進線，進線的走線要盡量短，盡量減小 EMI 濾波器前后級的耦合。進線最好用機殼地進行屏蔽（方法如上所述）。輸出 EMI 濾波器也要作類似處理。盡量拉開進線和高 dv/dt 信號走線的距離，在布局上要加以考慮。

以上就是這些內容關于工控設備電源等開關電源的layout（版面設計）與PCB的關系，希望對大家有所幫助吧。

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