电源适配器印刷电路板(PCB)中的电磁兼容问题

电源适配器产品越来越趋向高速､宽带､高灵敏度､高密集度和小型化,这种趋势导致了MC问题更加严重｡电源适配器PCB的电磁兼容(EMC)问题是目前电子设备设计中急待解决的技术难题｡

电源适配器PCB中带状线､电线､电缆间的串音和电磁耦合

  电源适配器PCB中带状线､电线､电缆间的串音是印刷电路板线路中存在的最难克服的问题之这里所说的串音是较广意义上的串音,不管是有用信号还是噪声,串音均用导线的互容和互感来表示｡当在EMC预测和解决EMI问题时,首先应确定发射源的耦合途径是传导的､辐射的还是串音的｡例如,当电源适配器PCB上某带状线上载入控制和逻辑电平时,与其靠近的第二条带状线上载有低电平信号;当平行布线长度超过10cm时,就预期会产生串音干扰｡当一长电缆载入几组串行或并行高速数据和遥控线时,串音干扰也成为主要问题｡靠近的电线和电缆之间的串音是由电场通过互容､磁场通过互感引起的

  当考虑在电源适配器PCB带状线､电缆中的导体或靠近的电线和电缆的串音问题时,最主要的是确定电场(互容)､磁场(互感)耦合中哪个是主要的｡确定哪种耦合模型主要取决于线路阻抗､频率和其他因素｡对线路阻抗,一个粗略的原则是:当源和接收器阻抗的乘积小于3002时,耦合的主要是磁场;当源和接收器阻抗的乘积大于10002时,耦合的主要是电场;当源和接收器阻抗的乘积在3002~10002之间时,则磁场或电场都可能成为主要耦合,这时取决于线路间的配置和频率｡

  一上述标准并不适用于所有的情况｡例如,在地(底)板上电源适配器PCB带状线之间的串音,这时电源适配器PCB上带状线特性阻抗可能较低,而负载和源阻抗可能较高,但串音仍以电场(互容)耦合为主｡一般来说,在高频时电容耦合是主要的,但如果源或接收器中之一或两者采用屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地,则磁场耦合将是主要的｡另外,低频一般有较低的电路阻抗,则电感耦合是主要的

  串音预测计算程序是计算机辅助电源适配器PCB设计软件中的重要内容,通过串音预测,可以保证电源适配器PCB上数字和模拟信号适当的间距｡由Quantic实验室编制的程序Green lelf2TM和Eesof编制的U Wave Spick程序可预测串音､延时和振荡｡该程序可确定几层电源适配器PCB布置的电压和脉冲上升时间表格

  电源适配器PCB电磁辐射分两种基本类型:差模辐射与共模辐射｡差模辐射的特点取决于闭合环路中电流特性;共模辐射由对地的干扰(噪声)电压引起｡目前的文献中对共模辐射讨论得较少但实际电源适配器PCB或电路并非都是由单根或回路轨迹组成,而且即使是并行电路轨迹的电流也并非相等,所以在分析辐射问题时,只考虑差模电流的作用远远不够,必须考虑轨迹中所有电流的作用｡同时因为差模电流的辐射是相减的,而共模电流的辐射则是相加的,所以共模电流即使比差模的电流小很多,也会产生相当程度的辐射电场｡个

  电磁辐射主要表现在对周围的电子系统构成窄带与宽带干扰;另一方面造成潜在的信息泄漏问题｡影响电源适配器PCB电磁辐射的因素主要是电源适配器PCB的结构的激励因素,电源适配器PCB的结构不同,其辐射效果也不同,传输带的长度､回路面积､地线走向､整体布局等都会影响到辐射效果｡除结构原因外,还有激励因素,比如幅值､周期､脉冲宽度､上升与下降时间､频率等也都是影响辐射效果及频率特性的重要因素｡显然电源适配器PCB的布局设计将直接关系到整机电磁辐射的强弱｡在确定的激励状态下,整机系统辐射水平的抑制和降低,必须从电源适配器PCB的辐射分析及布局的优化设计着手

  目前有不少文献对电源适配器PCB的辐射问题进行讨论,提出电源适配器PCB辐射的简化计算方法和测试手段｡然而,由于结构参数与激励参数的差异,电源适配器PCB的辐射问题不可能像其他电路那样用一种模型就可以分析解决｡比如,电偶极子和磁偶极子的辐射模型只有在电路线路长度小于波长和测试点距离的情况下才能适用｡另外,对一块电源适配器PCB来说,众多的线路和回路是潜在的辐射源｡所以电源适配器PCB的整体辐射效果应是各辐射单元辐射效果的叠加,总体辐射作用的大小主要与频率､辐射源长度或面积､激励强度､方位等因素有关｡此外,布线结构的合理设计对降低电源适配器PCB辐射也具有关键的作用分,消除辐射干扰最有效的方法是采取屏蔽,屏蔽噪声源或屏蔽敏感电路｡除屏蔽方法外,还

  通过改变电路设计来提高系统的抗干扰能力

  为了抑制电源适配器PCB电磁辐射,除了采用相应的技术措施外, CISPR､CENELEC､FCC和VDE等国际组织先后颁布了有关数字电子设备电磁辐射的约束规范｡目前辐射标准覆盖的频率为30MHz~1GHz,在不久的将来会扩展到5~40GHz｡