【導(dǎo)讀】資深EMC專家馬永健老師近日在2014福創(chuàng)西部電子論壇之電源管理技術(shù)研討會(huì)上做了精彩分享。2014福創(chuàng)電子論壇是歐洲領(lǐng)先的技術(shù)交流平臺(tái)，此次論壇在西安高新區(qū)都市之門隆重舉行。兩個(gè)技術(shù)研討會(huì)：電源管理技術(shù)研討會(huì)和無(wú)線技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研討會(huì)將針對(duì)西部工程師的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，讓供需雙方的專家們充分互動(dòng)。此次活動(dòng)由我愛方案網(wǎng)與西安高新區(qū)高新技術(shù)企業(yè)協(xié)會(huì)合作，攜手電子元件技術(shù)網(wǎng)，中國(guó)電子展和中國(guó)電子授權(quán)分銷商聯(lián)盟聯(lián)合舉辦。
馬永建，是目前中國(guó)最知名和最受尊敬的EMC實(shí)操專家之一，也是擁有20多年航空電子設(shè)備的EMC實(shí)際設(shè)計(jì)、開發(fā)、采購(gòu)和技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn)，聞名全國(guó)軍工和汽車電子界的EMC專家，著有《EMC設(shè)計(jì)工程務(wù)實(shí)》，他的特長(zhǎng)就是讓EMC理論落地，能夠?qū)嶋H解決產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。
隨著技術(shù)進(jìn)步以后，電流變化與電壓變化越來(lái)越大，電子產(chǎn)品的電磁兼容最后越來(lái)越嚴(yán)重。從 90年開始，隨著出口產(chǎn)品的增加，打開國(guó)門以后，電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越得到重視。實(shí)際上如果說(shuō)把電流變化率控制住，電壓變化率控制住，基本上就已經(jīng)達(dá)到控制的目的。從前有句話，叫做學(xué)好元器件，做好線路板，基本上就把電子兼容問(wèn)題解決。下面講電源的電磁兼容問(wèn)題，一共分五個(gè)部分，第一部分是供電系統(tǒng)，分為集中式，分布式。第二 是單板分布式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的注意事項(xiàng)。第三是在使用過(guò)程中，電源所導(dǎo)致的非理想的返回通道，非理想回路。第四是電源濾波，最后是開關(guān)電源，如何產(chǎn)生，如何控制。
供電系統(tǒng)
在設(shè)計(jì)電源的時(shí)候，電源分為這幾種方式來(lái)進(jìn)行供電，一是集中式供電，這樣做價(jià)值非常便宜，但是可靠性差，實(shí)用差，而且效率非常低，但是現(xiàn)在還有企業(yè)在用。第二種是分布式供電，分布式供電分交流分布式和直流分布式。交流分布式將直接面對(duì)交融電，出現(xiàn)的問(wèn)題非常麻煩，價(jià)格也非常昂貴。直流分布式，在安保防護(hù)這方面相互說(shuō)較容易?；蛘呤墙袑蛹芊植际交蛘邌畏捶植际剑瑢蛹芊植际揭粚右粚拥拿恳粚与娫垂?yīng)系統(tǒng)，如果兩層之間功能相當(dāng)?shù)脑挘梢宰鳛闊醾浞萏幚?，這種做法現(xiàn)在用的比較多，現(xiàn)在最常用單板分布式。一般來(lái)說(shuō)，把電壓降到安全范圍內(nèi)，然后各個(gè)供應(yīng)口之間不需要專門的電源維護(hù)，但是需要電源模塊可靠性非常高，因?yàn)楝F(xiàn)在電源模塊做的技術(shù)程度比較高，所以可靠性也比較高，不過(guò)從單板單機(jī)來(lái)說(shuō)價(jià)格比較高，維護(hù)成本非常低，所以價(jià)格收益較低，但是實(shí)用性非常好，效率非常高。
單板分布式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)注意事項(xiàng)
現(xiàn)在所有電源設(shè)計(jì)大部分是單板設(shè)計(jì)，當(dāng)硬件，方案確定下來(lái)以后，就要選用什么？選用一個(gè)電壓電流和功率，確定芯片工作電壓，確定電源的供應(yīng)電壓。設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要注意，不要選多品種，要想方設(shè)法把電壓分的品種越多越好。主流的器電，電壓的變化 不要太多，因?yàn)樵谡麄€(gè)一個(gè)板子上面，如果電壓太多的話，電壓之間隔離，隔離就存在一種溝槽或者隔離帶，之間不能對(duì)流。
第二個(gè)點(diǎn)，如果電壓確定下來(lái)以后要確定輸出電流。因?yàn)殡y過(guò)較大，所以這里講有兩個(gè)方法，第一個(gè)方法在設(shè)計(jì)之前要進(jìn)行估算，這個(gè)值只能說(shuō)是估算值，因?yàn)橐M(jìn)行降額設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成以后要進(jìn)行實(shí)際的精確測(cè)量，看單板上面到底多大的電流和功率，這是要考慮。因?yàn)榻殿~設(shè)計(jì)，如果降額不大，很有可能導(dǎo)致你的電源故障或者不工作。比如說(shuō)降額不足，重載，這樣導(dǎo)致電源長(zhǎng)期工作的時(shí)候，可能會(huì)發(fā)熱，會(huì)導(dǎo)致故障，甚至?xí)罊C(jī)。輕載以后，大馬拉小車，效率很低。
第二個(gè)問(wèn)題，電磁兼容問(wèn)題，當(dāng)電容設(shè)計(jì)的時(shí)候，有濾博器或者濾波電路，用的都是反射濾波，濾波電路或者濾波器的阻抗是適配，干擾電流和干擾電壓反回去，這樣不會(huì)推過(guò)濾波器和濾波電路，負(fù)載阻抗低了很多，就打破了濾波電路設(shè)計(jì)的最基本的原理。電源模塊在用的時(shí)候，要求負(fù)載要達(dá)到整個(gè)模塊的要求阻抗的10%以上，如果很輕，就不好工作。一定要實(shí)際測(cè)量一下各個(gè)單元的實(shí)際電流多大然后進(jìn)行修整，不 需要那么大就把它降下來(lái)，又貴又不好用干嗎用那么大，這是設(shè)計(jì)中間很多人忽視的事，就是輸出電流，大家一定要記住，電源設(shè)計(jì)是要降額的。第三個(gè)，如果單板模塊功率不夠，一般用更高功率的模塊來(lái)帶動(dòng)，另外一個(gè)，兩個(gè)模塊并聯(lián)使用，這種方式經(jīng)常使用，這地方就要注意一個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)模塊并聯(lián)的時(shí)候，需要負(fù)載均流，在設(shè)計(jì)中間是需要考慮。第二個(gè)，要故障完全隔離，設(shè)計(jì)的時(shí)候兩個(gè)模塊要設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路，一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題以后短路了，另外一個(gè)模塊也不能工作，這個(gè)是很容易犯的錯(cuò)誤，這是年輕工程師犯的錯(cuò)誤，有經(jīng)驗(yàn)的老工程師不會(huì)犯的錯(cuò)誤。
電源導(dǎo)致的信號(hào)非理想的回路
所有信號(hào)包括電源的電流信號(hào)，從驅(qū)動(dòng)端到接受端，最終都要返回驅(qū)動(dòng)端，這點(diǎn)非常非常重要。當(dāng)設(shè)計(jì)單層板的時(shí)候，設(shè)計(jì)一個(gè)線，多層板設(shè) 的時(shí)候，只設(shè)計(jì)信號(hào)線，而從來(lái)不關(guān)照回家線。它回來(lái)有兩種模式，一個(gè)是沿著電源平面回流，一個(gè)是按照地平面回流，這是回路。出去信號(hào)最終 一定要回來(lái)，但是回流的時(shí)候，這個(gè)回路的電流，一定走的阻抗最小的路徑，也就是說(shuō)大部分時(shí)間是電感最小的路徑。信號(hào)的回路面積與場(chǎng)強(qiáng)成正比，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，電磁兼容性，很重要的因素就是回路面積。
設(shè)計(jì)的時(shí)候有一句話，叫做回路面積最小化，這是設(shè)計(jì)的最重要的原則。一個(gè)線路板在設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定是多品種多種類的電源系統(tǒng)，一塊板子上面有好多種電源，之間用溝槽技術(shù)隔離，這設(shè)計(jì)的時(shí)候是必須的，核心的器件，有意的把它中間要進(jìn)行隔離，防干擾。一塊板子，到處都是溝槽，如果按照電源層面回流的時(shí)候，這是一個(gè)溝槽，這上面是你的線，這是信號(hào)層，回流按照電源層回流，電流回來(lái)了以后過(guò)不去了，就相當(dāng)于什么呢？ 咱們講的抗日戰(zhàn)爭(zhēng)的時(shí)候，一個(gè)碉堡挖一個(gè)戰(zhàn)壕，人跨那個(gè)戰(zhàn)壕，怎么跨？只有能力強(qiáng)的人或者高手翻下去翻上來(lái)。
同樣，如果回流有一部分可以通過(guò)耦合，兩個(gè)溝槽之間一定有一個(gè)電容性的接觸面，通過(guò)這個(gè)耦合跨過(guò)去，但是大部分跨不過(guò)去，它要回去，不回去不行，就要找通路，繞著溝槽開始找，溝槽多長(zhǎng)繞多長(zhǎng)，這是理想化的。。但是線路板每層板之間的間距非常小，線路間就有耦合電容，很有可能它的回流電 流耦合到另外一個(gè)板上去，線路串?dāng)_就發(fā)生了，這是非常嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中間，這是非常非常致命，而且非常嚴(yán)重。同時(shí)，穿過(guò)同一溝槽走線間會(huì)有很高的耦合系數(shù)，溝槽本身的能量耦合到夾縫中，并通過(guò)夾縫線傳播到其他的信號(hào)上。相當(dāng)于一個(gè)傳輸線把整個(gè)耦合的噪聲在所有線上傳輸，只要跨過(guò)這個(gè)線上就經(jīng)過(guò)耦合，這樣噪音就跨過(guò)來(lái)跨過(guò)去。為什么仿真軟件不能完全用于實(shí)用，因?yàn)闆]法建模，不知道耦合哪去，實(shí)際上能找，每層剖析，先每層計(jì)算，找間距的大小，介質(zhì)的影響等等，整個(gè)一個(gè)找過(guò)來(lái)，但是都是一個(gè)可能的途徑，真是這個(gè)途徑嗎？所以在做的過(guò)程中，這個(gè)是大忌。
電源分配系統(tǒng)造成了這個(gè)非理想的回路，因?yàn)楸旧砭瓦@么畫過(guò)來(lái)畫過(guò)去，事后沒辦法補(bǔ)救，只有設(shè)計(jì)的時(shí)候處理。那怎么辦呢？一定要從電源層面進(jìn)行回流， 不能從地平面進(jìn)行回流，第一種，就是說(shuō)在溝槽上面，在信號(hào)返回的通道上面架橋。這個(gè)是溝槽，將這個(gè)拉開，我在上面架橋，信號(hào)的平率電流多少，然后選擇這個(gè)頻率的這個(gè)電流，協(xié)定頻率，一個(gè)電流的協(xié)定平率點(diǎn)，這個(gè)阻抗是最小的，按照這個(gè)原理，電容架在兩邊，這是架橋過(guò)，回流過(guò)不來(lái)，就架橋過(guò)。
第二個(gè)用插分線傳輸，插分線是對(duì)線，最好是用地平面回流，那是最好的，所以非理想回路這一塊，做到中間盡可能不要存在，或者說(shuō)做的時(shí)候，也要考慮好的信號(hào)出去以后怎么樣回來(lái)，要保證回路面積最小化，因?yàn)樗绊懱蟆?br />
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