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Buk变换器的EM分析

Buk变换器的EM分析

点击数:7951 次   录入时间:03-04 11:38:04   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘
    印刷电路板上元器件的放置和布线设计对开关电源EMC性能有极大的影响,在高频开关电源中,由于印刷板上既有低电平的小信号控制线,又有高压大电流电源线,同时还有一些高频功率开关、磁性元件。如何在印刷板有限的空间内合理地安排元器件位置,以及合理地布线将直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。

    通过分析印刷导线的特性阻抗,合理地选取布线的放置方式、长度、宽度以及总体布局。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成。

    Z=R+jωL(1)

    L=2lln(2)

式中:l为印刷导线的长度;

      b为印刷导线的宽度。

    可以看出印刷线l越短,直流电阻R越小,自感L也就越小;同时增加印刷线的宽度也可以降低直流电阻R和自感L。

    多根印刷线的特性阻抗除了直流电阻R和自感L以外,还有互感M。

    M=2l(3)

式中:s为两线之间的距离。

    由以上分析可知,在设计印刷电路板时,应尽量降低电源线和地线的阻抗。因电源线、地线和其它印刷线都有电感,当电源电流变化较大时,会产生较大压降,而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素,所以应尽量缩短地线,尽量加宽电源线和地线。

    直流供电系统的实际等效电路如图9所示。

图9    直流供电系统等效电路

    直流供电电路中产生的瞬态噪声电压,起源于电源负载电流的突变ΔiL。该电流变化是瞬时的,则因之产生的瞬变电压的幅值ΔuL是电源供电传输线特征阻抗Z0的函数。

    Z0=(4)

        ΔuL=ΔiLZ0(5)

    为了减小ΔuL,必须使得Z0尽量低,由式(4)可知,要求Lt尽量小,Ct尽量大。为了减小Lt和增大Ct,供电母线应用矩形截面的导线,并使两条母线尽量靠近,用两条尽量宽的扁平印刷线。由于使用的是双面印刷板,电源线和地线平行布线,使两条功率线流过的电流方向相反,可以有效地减小感应磁通。同时也将其它正、负信号线分别布在印刷板的两面,设法使两个载流体导线彼此间保持平行,因为平行紧靠的正、负载流体导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。

    对于元器件的放置,由于开关电源的辐射干扰(E)与电流通路中电流(I)的大小,通路的环路面积(A),以及电流频率(f)的平方等三者的乘积成正比,即E=I·A·f2。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长(此电路符合条件)。

    利用上述关系式,减小通路面积是减小辐射干扰的关键。在此Buck电路中,应该使输入端电容、开关管、功率二极管彼此紧靠,且布线紧凑;同时使输出端功率二极管、电感、输出电容、采样电阻彼此紧靠。

    另外,在布线时使开关管的漏极连线尽量短、粗,以减小导线的寄生电感。选择合适的滤高频电容(样机中使用了CBB电容),并使其尽量靠近MOSFET的漏极,电容引线尽量短,以减小导线电感。

    根据以上的分析所得出的原则,实际设计的样机主功率PCB板如图10所示。

图10    Buck电路的PCB板

3    结语

    开关电源电磁兼容设计的目的,就是使所设计的产品不但能在一定的电磁干扰环境中正常工作,而且也使产品自身所产生的电磁骚扰不影响其它设备的工作。本文通过各个方面的分析,总结出设计Buck电路电磁兼容的原则,并依此原则制造出试验样机,从而在实践的基础上说明了这些原则的可行性和正确性,为以后开关电源的电磁兼容设计提供了很好的经验。

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