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經(jīng)典剖析電源PCB布板與EMC的關(guān)系(上)

 charlion 2017-08-11

                 

        上面的電路對(duì)EMC的影響可想而知,,輸入端的濾波器都在這里,;防雷擊的壓敏;防止沖擊電流的電阻R102(配合繼電器減小損耗),;關(guān)鍵的慮差模X電容以及和電感配合濾波的Y電容,;還有對(duì)安規(guī)布板影響的保險(xiǎn)絲;這里的每一個(gè)器件都至關(guān)重要,,要細(xì)細(xì)品味每一個(gè)器件的功能與作用,。設(shè)計(jì)電路時(shí)就要考慮的EMC嚴(yán)酷等級(jí)從容設(shè)計(jì),比如設(shè)置幾級(jí)濾波,,Y電容數(shù)量的個(gè)數(shù)以及位置,。壓敏大小數(shù)量選擇,,都與我們對(duì)EMC的需求密切相關(guān),歡迎大家一起討論看似簡單其實(shí)每個(gè)元器件蘊(yùn)含深刻道理的EMI電路,。 


分享點(diǎn)二:電路與EMC(最熟悉的反激主拓?fù)?,看看電路中哪些關(guān)鍵地方蘊(yùn)含了EMC的機(jī)理) 

                

        上圖的電路中打圈幾部分:對(duì)EMC影響非常重要(注意綠色部分不是的),比如輻射大家都知道電磁場(chǎng)輻射是空間的,,但基本的原理是磁通量的變化,,磁通量涉及到磁場(chǎng)有效截面積,也就是電路中對(duì)應(yīng)的環(huán)路,。電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng),,產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場(chǎng),不能向電場(chǎng)轉(zhuǎn)化,;但變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),,變化的磁場(chǎng)是可以產(chǎn)生電場(chǎng)(其實(shí)這就是有名的麥克斯韋方程我用通俗語言來說),變化的電場(chǎng)同理可產(chǎn)生磁場(chǎng),。所以一定要關(guān)注那些有開關(guān)狀態(tài)的地方,,那就是EMC源頭之一,這里就是EMC源頭之一(這里說之一當(dāng)然后續(xù)還會(huì)講到其它方面),; 比如電路中虛線環(huán)路,,是開關(guān)管開通和關(guān)斷的環(huán)路,不僅設(shè)計(jì)電路時(shí)開關(guān)速度可以調(diào)節(jié)對(duì)EMC影響,,布板走線環(huán)路面積也有著重要的影響,!另二個(gè)環(huán)路是吸收環(huán)路和整流環(huán)路,先提前了解下,,后面再講,!


分享點(diǎn)三:PCB設(shè)計(jì)與EMC的關(guān)聯(lián)

  

1.PCB環(huán)路對(duì)EMC的影響非常重要,比如反激主功率環(huán)路,,如果太大的話輻射會(huì)很差。 

2.濾波器走線效果,,濾波器是用來濾去干擾的,,但若是PCB走線不好的話,濾波器就可能失去應(yīng)該有的效果,。 

3.結(jié)構(gòu)部分,,散熱器設(shè)計(jì)接地不好會(huì)影響,屏蔽版的接地等,;

4.敏感部分與干擾源頭過近,,比如EMI電路與開關(guān)管很近,必然會(huì)導(dǎo)致EMC很差,,需要有清晰的隔離區(qū)域,。 

5.RC吸收回路的走線,。 

6.Y電容接地與走線,還有Y電容的位置也很關(guān)鍵等等,! 

等等,。先想到這說這些,后續(xù)會(huì)具體討論,,先起個(gè)引子,。 

下面舉一個(gè)小例子: 

                                            

如上圖中虛線框,X電容引腳走線做了內(nèi)縮的處理,,大家可以學(xué)習(xí)下,,如何讓電容引腳走線外掛(采用擠電流走線)。這樣X電容的濾波效果才能夠達(dá)到最佳狀態(tài),。


分享點(diǎn)四:PCB設(shè)計(jì)之準(zhǔn)備事項(xiàng):(準(zhǔn)備充分了,,方可設(shè)計(jì)步步穩(wěn)健,避免設(shè)計(jì)推翻重來) 

  

大致有以下的一些方面,,都是自己設(shè)計(jì)過程會(huì)去考慮,,所有的內(nèi)容跟別的教程無關(guān),都是只是自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),。 

1.外觀結(jié)構(gòu)尺寸,,包括定位孔,風(fēng)道流向,,輸入輸出插座,,需要與客戶系統(tǒng)匹配,還需要與客戶溝通裝配上的問題,,限高等等,。 

2.安規(guī)認(rèn)證,產(chǎn)品做哪種認(rèn)證,,哪些地方做到基本絕緣爬電距離要留夠,,哪些地方做到加強(qiáng)絕緣留夠距離或開槽。 

3.封裝設(shè)計(jì):有沒有特殊期間,,如定制件封裝準(zhǔn)備,。 

4.工藝路線選定:單面板雙面板選擇,或是多層板,,根據(jù)原理圖及板子尺寸,,成本等綜合評(píng)估。 

5.客戶的其他特殊要求,。 


結(jié)構(gòu)工藝相對(duì)會(huì)更靈活,,安規(guī)還是比較固定的部分,做什么認(rèn)證,過什么安規(guī)標(biāo)準(zhǔn),,當(dāng)然也有一些安規(guī)是很多標(biāo)準(zhǔn)中通用的,,但也有一些特殊產(chǎn)品比如醫(yī)療會(huì)比較嚴(yán)苛。

為了新入門工程師朋友們不至于眼花繚亂,;


接下來列出些普遍產(chǎn)品通用的,下面是對(duì)于IEC60065總結(jié)出來的具體布板要求,,針對(duì)安規(guī)需要牢記,碰到具體產(chǎn)品要會(huì)針對(duì)性處理: 

1.輸入保險(xiǎn)絲焊盤制件的距離安規(guī)要求大于3.0MM,,實(shí)際布板按照3.5MM(簡單說保險(xiǎn)絲前按照3.5MM爬電距離,,之后按照3.0MM爬電距離)

2.整流橋前后安規(guī)要求2.0MM,布板按照2.5MM,。 

3.整流后安規(guī)一般不做要求,,但是高低壓間根據(jù)實(shí)際電壓大小留距離,習(xí)慣400V高壓留2.0MM以上,。 

4.初次級(jí)間安規(guī)要求6.4MM(電氣間隙),,爬電距離按照7.6MM為最佳。(注意這個(gè)跟實(shí)際輸入電壓相關(guān),,需要查表具體計(jì)算,,提供數(shù)據(jù)僅供參考,以實(shí)際場(chǎng)合為準(zhǔn)) 

5.初次級(jí)用冷地,,熱地標(biāo)識(shí)清晰,;L,N標(biāo)識(shí),,輸入AC INPUT標(biāo)識(shí),,保險(xiǎn)絲警告標(biāo)識(shí)等等都需要清晰標(biāo)出; 

大家對(duì)上面有疑問的,,也可以討論,,互相學(xué)習(xí)! 

再次重申實(shí)際安規(guī)距離跟實(shí)際輸入電壓相關(guān)以及工作環(huán)境有關(guān),,需要查表具體計(jì)算,,提供數(shù)據(jù)僅供參考,以實(shí)際場(chǎng)合為準(zhǔn),;


分享點(diǎn)五:PCB設(shè)計(jì)之安規(guī)考慮其它因素

  

1.明白自己產(chǎn)品做什么認(rèn)證,,屬于什么產(chǎn)品種類,比如醫(yī)療,,通信,電力,,TV等各不相同,,但也有很多相通的地方。 

2.安規(guī)中與PCB布板緊密的地方,,了解絕緣的特點(diǎn),,哪些地方是基本絕緣,,哪些地方是加強(qiáng)絕緣,不同標(biāo)準(zhǔn)絕緣距離是不一樣的,。最好是會(huì)查標(biāo)準(zhǔn),,并且會(huì)計(jì)算電氣距離,爬電距離,。 

3.產(chǎn)品的安規(guī)器件重點(diǎn)注意,,比如變壓器磁性與原副邊關(guān)系; 

4.散熱器與周邊距離問題,,散熱器接的地不一樣絕緣情況也不一樣,,接大地還是冷地,熱地絕緣也布一樣,。 

5.保險(xiǎn)的距離特別注意,,要求最嚴(yán)格地方。保險(xiǎn)絲前后距離布一致,。 

6.Y電容與漏電流,,接觸電流關(guān)系。 

等等,,后續(xù)會(huì)詳細(xì)說明距離該怎么留,,如何做好安規(guī)要求。


分享點(diǎn)六:PCB設(shè)計(jì)之電源布局 

  

1.首先衡量PCB尺寸與器件數(shù)量,,做到疏密有致,,要不然一塊密,一塊稀疏很難看,。 

2.將電路模塊化,,以核心器件為中心,關(guān)鍵器件優(yōu)先放的原則一次放置器件,。 

3.器件呈垂直或水平防置,,一是美觀,二是方便插件作業(yè),,特殊情況可以考慮傾斜,。 

4.布局時(shí)需要考慮到走線,擺放到最合理位置方便后續(xù)走線,。 

5.布局時(shí)盡可能減小環(huán)路面積,,四大環(huán)路后面會(huì)詳解到。 

做到上述幾點(diǎn),,當(dāng)然要靈活運(yùn)用,,比較合理的布局很快就會(huì)誕生。 

下面是我畫的第一塊處女PCB板,好多年前的事情,,當(dāng)時(shí)非常的艱苦完成的,,中間可能有小問題,不過大體布局還是值得學(xué)習(xí)的: 


                 


此圖功率密度還是比較高,,其中LLC的控制部分,,輔助源部分以及BUCK電路驅(qū)動(dòng)(大功率多路輸出)部分在小板上,就沒拿出來,,看看主功率方面的布局特點(diǎn)吧: 

1.輸入輸出端子是固定死的,,不能動(dòng),板子是長方形的,,主功率流向如何去選擇,? 

這里采用由下至上,由左及右的方式來布局,,散熱是依靠外殼,。 

2.EMI電路還是清晰的流向,這點(diǎn)很重要,,要不混亂了不美觀也對(duì)EMC不好,。 

3.大電容的位置盡量考慮到了PFC環(huán)路以及LLC主功率環(huán)路; 

4.副邊的電流比較大,,為了走電流,,以及整流管散熱,采用了這樣的布局,,整流管在上,,BUCK電路MOS管在下,散熱分散效果好,;大功率的頂層一般走負(fù),,底層走正。 

每個(gè)板子有自己的特點(diǎn),,當(dāng)然也有自己的難處,,如何合理解決是關(guān)鍵,大家從中能理解布局合理選取的含義嗎,?


分享點(diǎn)七:PCB實(shí)例賞析 

  

可以根據(jù)之前談?wù)摰腜CB布局要點(diǎn),,檢視此板,是否做的很到位,,我認(rèn)為是做到比較好的地方了,,當(dāng)然瑕疵總會(huì)有,也可以提出來,,單面板如此緊湊能做到這樣已實(shí)屬不易了,,可以借此板學(xué)習(xí)討論,!后面還會(huì)針對(duì)此板講解學(xué)習(xí),大家先欣賞下,。 

                    


分享點(diǎn)八:PCB設(shè)計(jì)之四大環(huán)路認(rèn)識(shí):(PCB布局的基本要求就是四大環(huán)路面積小)


                            

補(bǔ)充一下,,吸收環(huán)路(RCD吸收以及MOS管的RC吸收,,整流管的RC吸收)也很重要,也是產(chǎn)生高頻輻射的環(huán)路,,對(duì)上圖有任何疑問,,都?xì)g迎討論,不怕任何質(zhì)疑,,只要是針對(duì)問題的質(zhì)疑,,一起討論學(xué)習(xí)才能更大的進(jìn)步!


分享點(diǎn)九:PCB設(shè)計(jì)之熱點(diǎn)(浮動(dòng)電位點(diǎn))及地線: 


                         

注意事項(xiàng):

1.針對(duì)熱點(diǎn),,一定要特別注意(高頻開關(guān)點(diǎn)),,是高頻輻射點(diǎn),布局走線對(duì)EMC影響很大,。 

2.熱點(diǎn)構(gòu)成的環(huán)路小,,走線短,并且走線不是越粗越好,,而是夠走電流夠用就好,。 

3.地線要單點(diǎn)接地。主功率地和信號(hào)地分開,,采樣地單獨(dú)走,。 

4.散熱器的地需要接主功率地。


分享點(diǎn)十:EMC整改心得體會(huì) 

  

均為個(gè)人理解,,或許與傳統(tǒng)資料教材有差異,,請(qǐng)自己斟酌,反正我覺得很多通用的教材結(jié)果沒我自己總結(jié)的使用,,自夸了,。想說的很多,可能有些亂,,都是實(shí)踐出來的! 

一.EMC產(chǎn)生以及測(cè)試時(shí)測(cè)得的結(jié)果如何去理解:簡單來說就是如何對(duì)癥下藥,,很多情況拿到第一輪測(cè)試結(jié)果,怎么將結(jié)果和電源去對(duì)照分析,;主題思路如下: 

1.針對(duì)傳導(dǎo),,測(cè)試范圍標(biāo)準(zhǔn)15K-30M,常見的EN55022是150K起,。傳導(dǎo)的源頭是怎么產(chǎn)生的呢,?針對(duì)低頻,,主要是開關(guān)頻率以及其倍頻(后續(xù)有圖解),這種從源頭是無法解決的,,開關(guān)頻率是無法消除的,,當(dāng)然你可以改變開關(guān)頻率,那也只是將測(cè)試結(jié)果移動(dòng)了,,并沒有真正意義上消除,。只能通過濾波器來解決,一般來說對(duì)于低頻采用R10K這種高磁通材質(zhì)有很好的效果,,磁環(huán)大小跟你功率有關(guān)系,,一般達(dá)到10MH感量,甚至更大到20MH,,配合Y電容一般能很好解決,,低頻不是難點(diǎn);真正的難點(diǎn)是高頻,,個(gè)人認(rèn)為,,高頻的起因就復(fù)雜多了,有開關(guān)導(dǎo)致,,有變壓器可能,,也有電感的可能,也就就是一切存在開關(guān)狀態(tài)的地方都可能存在(怎么判斷具體位置,,后續(xù)講解),,這里需要一番摸索;找到源頭未必源頭能解決,,可能有改善,,還是的配合濾波器。針對(duì)高頻,,采用低磁通材質(zhì),,如鎳鋅環(huán),感量一般都是UH級(jí)別的,,配合合適Y電容(比較復(fù)雜的電源,,建議布板時(shí)多留幾個(gè)Y電容位置,方便整改),; 


2.一些配合手段,,很多教材都提到增大X電容判斷差模還是共模,有一定意義可能現(xiàn)實(shí)幫助不大,,設(shè)計(jì)時(shí)一般我們X電容都會(huì)放到合適的值,。并且增大X電容就能解決差模問題,也是瞎扯,,所以很多教材都是提供一定意義指導(dǎo),,個(gè)人覺得沒什么用,。我覺得比較好的手段有幾個(gè):1.對(duì)照接地和不解地總結(jié)差異,不接地可能更差,,原因是系統(tǒng)構(gòu)造的傳導(dǎo)途徑少了,;也可能有改善,說明是通過地回路傳導(dǎo)到端口,。具體解決措施,,針對(duì)電路接地的點(diǎn)Y電容進(jìn)行調(diào)節(jié)以及加磁珠。2.在輸入端口套磁環(huán),,若套低U環(huán)有改善,調(diào)節(jié)第一級(jí)濾波電感,。3復(fù)雜的系統(tǒng)注意EMI電路的屏蔽措施,。若措施都沒什么效果,反省PCB設(shè)計(jì),,這方面在PCB設(shè)計(jì)中會(huì)講到,。 


3.針對(duì)輻射:必須找出源頭去解決,觀測(cè)第一次測(cè)試結(jié)果,,若是30M附近超出,,跟接地相關(guān),系統(tǒng)上找接地,,并且要判斷測(cè)試時(shí)是否接地良好,,有時(shí)候輸入線都有影響。2.40M-100M以內(nèi),,一般是MOS管開通關(guān)斷引起,,有時(shí)后為了現(xiàn)場(chǎng)不好直接判斷是開通還是關(guān)斷,可針對(duì)性整改觀測(cè)結(jié)果去驗(yàn)證(當(dāng)然這都得花錢,,后續(xù)會(huì)講解如何用示波器去判斷,,這可是密招)。3 100M以上多為二極管引起,,整改二極管吸收電容,,大功率的有的可能是同步整流,更改MOS管吸收環(huán)路,,記住有時(shí)候調(diào)整C時(shí)還得配合R整改,。 

要說的太多,后續(xù)針對(duì)具體實(shí)例去補(bǔ)充吧,,先手打這么多,,反正我打的夠辛苦,能引起共鳴很難,,畢竟每個(gè)人的整改經(jīng)歷差很多,,就當(dāng)給新人朋友一些啟示吧,,后續(xù)會(huì)舉例說明!


分享點(diǎn)十一:布板走線之濾波電容走線

  

濾波電容的走線對(duì)濾波效果有至關(guān)重要的作用,,走的不好,,可能失去其應(yīng)有的濾波效果。 

圖一是副邊整流濾波走法,,使二個(gè)電容效果分?jǐn)?,避免第二個(gè)電容在整流回路中失效。

                  

圖二:為輸出濾波電容走線,,一定不要外掛(也就是被旁路掉),,走的不好輸出紋波很差。


                         


分享點(diǎn)十二:LLC電路的布板與EMC 


                     


LLC電路大家最熟悉不過了,,虛線圓圈是驅(qū)動(dòng)電路,,在電路設(shè)計(jì)時(shí)緊靠MOS管放置,也就是說IC提供的驅(qū)動(dòng)只需要引二根線拉到驅(qū)動(dòng)電路,,驅(qū)動(dòng)電路離MOS管近,,避免被干擾(同時(shí)走線時(shí)也要注意驅(qū)動(dòng)干擾到敏感信號(hào),既是敏感信號(hào)也是干擾源),;一旦驅(qū)動(dòng)被干擾電源可想而知,。 

同理同步整流的MOS管驅(qū)動(dòng)也要離同步整流管近,設(shè)計(jì)原理圖時(shí)像此圖這樣放就能很好理解,,假如你將這電路給PCB工程師布板,,他就很直觀如何布局走線,你若是畫得很亂,,很多PCB工程師對(duì)電路理解得布透徹可能就容易布錯(cuò)板,。 


另外:原邊有一個(gè)重要的環(huán)路,PFC電容與MOS管以及變壓器,,諧振電感,,諧振電容構(gòu)成的環(huán)路面積小,; 
副邊整流濾波環(huán)路同樣重要,,電容的走線之前講過,也很重要,; 
走線時(shí)注意高低壓的距離,,有些地方電壓是浮動(dòng)的,必須當(dāng)作高壓來對(duì)待,,比如上管驅(qū)動(dòng)以及對(duì)應(yīng)的參考電壓,。

 
至于EMC方面LLC的開通是軟開關(guān),開通對(duì)EMC幾乎沒有影響,,重點(diǎn)關(guān)注是關(guān)斷速度的快慢對(duì)EMC影響,;還有MOS管結(jié)電容并的電容對(duì)EMC影響很大,,選擇電容不合適,或是不加(MOS管自身也有結(jié)電容)對(duì)EMC都可能有影響,,這是重點(diǎn)注意的地方,;此圖沒有Y電容,在MOS管正或者負(fù)防置Y電容也能很好濾去開關(guān)干擾,; 


對(duì)此電路有什么疑問的,,可以提出來討論,在討論中彼此成長,!




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