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[导读]   本文对严重影响便携设备基本性能的各类电压调节器所产生的传导、幅射噪声及共模噪声传播机制及抑制选择作分析讨论。   电场屏蔽技术   由于电场存在于两个具有不同电位的表面或实体

  本文对严重影响便携设备基本性能的各类电压调节器所产生的传导、幅射噪声及共模噪声传播机制及抑制选择作分析讨论。

  电场屏蔽技术

  由于电场存在于两个具有不同电位的表面或实体之间,因此,只需要刚—个接地的防护罩将设备屏蔽起来,就可以相对容易地将设备内部产生的电场噪声限制在屏蔽罩内部。这种屏蔽措施已被广泛用于监视器、示波器、开关电源以及其它具有大幅度电压摆动的设备。另外一种通行的做法是在线路板上设置接地层,电场强度正比于表面之间的电位差,井反比于它们之间的距离。举例来讲,电场可存在于源和附近的接地层之间。这样,利用多层线路板,在电路或线条与高电位之间设置一个接地层,就可以对电场起到屏蔽作用。

  不过,在采用接地层时还应注意到高压线路中的容性负载。电容器储能于电场中,这样,当靠近一个电容器设置接地层时就在导体和地之间形成一个电容,导体上的dv/dt信号会产生大传导电流到地,这样,在控制辐射噪声的同时却降低了传导噪声性能。

  如果出现电场散射,来源最有可能于系统中电位最高的地方,在电源和开关调节器中,应该注意开关晶体管和整流器,因为它们通常具有高电位,而且由于带有散热器,也具有比较大的表面积。表面安装器件同样存在这个问题,因为它们常常要求大面积线路板覆铜来帮助散热。这种情况下,还应注意大面积散热面和接地层或电源层之间的分布电容。

  磁场屏蔽技术

  电场相对比较容易控制,但磁场就完全不同了,采用高导磁率的物质将电路封闭起来可以起到类似的屏蔽作用,但是这种方法实现起来非常困难而且昂贵。通常来讲,控制磁场散射最好的办法就是在源头将其减至最小。一般情况下,这就要求选择那些磁辐射小的电感和变压器。同样重要的还有,在进行电路板布局和连接线配置时要注意最大限度减小电流网路的尺寸,尤其是那些载有大电流的回路。大电流回路不仅向外辐射磁场,它们还增加了导线的电感,这会在载有高频电流的线上引起电压尖刺。

  降低磁辐射-采用增加气隙的铁氧体磁芯制作电感器

  对电路设计者来说往住倾向于选择商品化的变压器和电感,但无论是设计或选择商品化的变压器和电感,应了解一点磁性材料方面的知识均将有助于设计者对具体应用做出最适当的选择。

  根据有关实验资料可知,铁氧体磁芯(或其他类型的高磁导率磁芯)增加气隙后会迫使磁通透出磁芯,使电感或变压器储能于器件用周围的磁场中。为这个铁氧体磁芯增加气隙将使斜率降低,同时降低了等效磁导率和相关的电感。电感因斜率的变化而降低,而最大电流因斜率的变化而增加,同时饱和磁感应强度B保持不变。所以,储存于电感的最大能量(1/2L12)增加了。这种增加也可以通过给电感施加一个电压,然后观察达到饱和Bsat所需的时间来得到印证。储存于磁芯的能量是(V&TImes;i)dt的积分。因为对于带有气隙的磁芯,同样的电压和时间下总是具有更高的电流,所以相应的储能也更高。

  然而,采用带气隙的磁芯会增加电感周围空间中的磁辐射。以轴状磁芯为例,因为具有很大的气隙,它在工作时具有很强的磁辐射,正是由于这个原因,在很多对噪声敏感的应用中不被采用。轴状磁芯——线轴状铁氧体——是一种最为简单和最为廉价的带气隙的铁氧体磁芯。将线圈绕于中轴上面便构成一只电感。由于线圈直接绕在磁芯上,除了线圈的引出外不再需要其它处理,因此成本很低。很多情况下,导线是通过磁芯底部的一块金属化区引出的,使电感可以进行表面安装。其它一些表面安装电感则是被固定在一个陶瓷或塑料顶盖上,线圈通过顶盖引出。

  有些制造商在轴状磁芯外部套装了一个铁氧体屏蔽罩来降低辐射。这种办法是有效的,但同时也减小了气隙,因而也就降低了磁芯储能。由于铁氧体自身储能不多,通常在磁芯和屏蔽罩之间保留了一个小的气隙,这将使这种类型的电感辐射一部分磁场。不过,在某种可以接受的散射水平下,轴状磁芯在成本和EMI之间是一个比较好的折衷。

  其它不同形状的磁芯也可以根据应用要求增加气隙(或不加)。例如罐状磁芯、E-I磁芯和E-E磁芯等都具有一个中心柱或轴,可以在上面开出一个空气间隙。在磁芯的中心开气隙并用线圈将其完全包围起来,有助于减少气隙向外部空间的磁辐射。这种电感通常更贵一些,因为线圈必须独立于磁芯绕制,磁芯环绕线圈组装。为便于设计和组装,可以购买中轴上预留气隙的磁芯。

  或许在降低磁辐射方面表现最好的磁芯是具有分布式气隙的磁环,这种磁芯采用填充材料和高磁导罕率金属粉末混合后压制成型。金属粉末颗粒被非磁性的填充物分隔,形成小的气隙,尽管它们分布于整个磁芯,但其作用类似于一个总的“空气隙”。线圈环绕磁环绕制,使磁场在线圈中间沿着磁环形成圆环,当线围绕满磁环整个圆周时,它就完全包围住磁场将其屏蔽起来。

  分布气隙式磁环的能损有时会比开有气隙的铁氧体磁芯更高一些,这是由于组成芯体的金属颗粒中容易形成涡流,导致磁芯发热而使电源效率降低.由于线圈必须穿过磁环中心,绕制比较围难,所以这种类型的电感也比较贵,线圈绕制可由机器完成,但比起传统类型的绕线机,这种类型的机器更贵而且操作更慢。

  有些铁氧体磁环具有非连续的气隙,这种磁心所产生的碰辐射高于上述分布气隙式磁芯,但典型的带气隙磁环具有比较低的能损,因为它们封闭磁场的能力姜要优于其它类型的具有非连续气隙的铁氧体磁芯。用线圈包围气隙可以降低磁辐射,而环状磁芯更有助于将磁场封闭于芯体内部。

  变压器设计应考虑避免漏感产生

  变压器具有许多和电感器共有的局限,因为它们采用同样的磁芯绕制而成。除此之外,变比器还有—些独有的特性。实际变压器的特性接近于理想变压器-以正比于绕组匝比的电压比率从初级向次级耦合电压。

  在变压器等效电路中,绕组间的分布电容等效为电容器CWA和CWB,这些因素带来的主要问题是隔离电源中的共模散射问题。绕组电容CP和CS很小,在开关型电源和调节器的工作频率下通常可以忽略。励磁电感LM的作用很重要,因为过高的励磁电流会造成变压器饱和。和电感一样,饱和状态下变压器的磁辐射将会增加。饱和还会造成更高的磁芯能损,更高的温升(有可能引起热失控),以及降低绕组间的耦合度。

  漏感是由仅匝链一个绕组而未匝链其它绕组的磁场产生的,虽然在有些耦合式电感器和变压器(就象前面讨沦的共模扼流圈)中有意将这个参数设计得比较大,但对于开关电源来讲,漏感LLp和LLs常常是最令人头痛的寄生元件、同时匝链两个绕组的磁通将两个绕组耦合为一体.所有变压器绕组都环绕磁芯,因此任何漏感都存在于磁芯外部,在空气中,会向外界产生磁辐射。

  漏感带来的另外一个问题是,当电流迅速变化时会产生大电压,这在大多数开关电源变压器中有所表现。这种大电压会使开关晶体管或整流器过压而损坏。吸收缓冲器(通常是一只串联的电阻和电容)常被用来耗散这种电压尖峰的能量,而使电压得到控制。另一方面,有些开关器件被设计为可以承受一定的重复性雪崩击穿,能够耗散一定功率,可以不用外部缓冲器。

  变压器漏感的测定很简单,只需短路次级线圈,然后测量初级电感即可。这种测量结果中也包含了通过变压器耦合的次级漏感,多数情况下,这个漏感也必须加以考虑,因为它也会增加初级侧的电压尖峰。对应的尖峰能量可按公式E=1/2L12计算,这样,漏感造成的功率消耗就是每一尖峰的能量乘以开关频率:P:=1/2L12f。

  对于变压器的具体要求和不同的电源拓扑有关。有些拓扑通过变压器直接耦合能量——例如半桥、全桥、推挽式或正激式转换器——要求非常高的励磁电感以防止饱和。这些电路中变压器的初级和次级线圈同时传输电流,直接通过变压器耦合能量。由于只有很少的能量储存于磁芯中,变压器可以做得比较小。这种变压器通常采用没有气隙的铁氧体或其它高磁导率材料的磁芯绕制而成。

  另外一些电源拓扑则要求变压器磁芯储存一定的能量。反激式电路中的变压器在开关周期的前半部分通过初级线圈储能。在开关周期的后半部分,能量被释放并通过次级线圈馈向输出。和电感的情况一样,不带气隙的高磁导率磁芯不太适合变压器储能。相反,磁芯必须具有不连续的或分布式的气隙。这会使元件的尺寸比不带气隙时的情况更大一些,但却省去了额外的储能电感,因此更加节省成本和空间。

  关于串扰与抑制

  所谓串扰是指在噪声(干扰)源和被干扰对象之间不存在直接的连接,但在它们的各自导线或引线互相靠近时会产生寄出电容和寄生电感。

  两个或更多导体靠得比较近时,它们之间就会有容性耦合,一个导体中的大幅度电压变化会向其它导体耦合电流。如果导体是低阻抗的,则耦合电流仅产生很小的电压。电容反比于导体间的距离而正比于导体的面积,这样,减小相邻导体的面积,并增加它们之间的距离,将有利于降低传导型噪声。

  另外一个减小导体间耦合的办法是增加一个接地或屏蔽层。导体之间的一条接地线(很多情况下为电源总线或其它类型的低阻抗节点)可以将容性耦合过来的干扰信号旁路到地,从而起到防止导体间相互干扰的作用。但应当谨慎行之。如果载有快速dV/dt信号的线条被靠近某接地层放置,而该接地层与大地之间通过高阻互连,那么上述快速变化信号就会耦合进入接地层。进而接地层又会向敏感线路耦合,这样,非但没有改善,反而使噪声问题更加恶化。如果接地层不用承载大电流,通常趋向于采用细导线将其连接到地。然而,细导线具有比较大的电感,这会使接地层对于快速变化的电压信号呈现为高阻。

  在进行布线时,应该保证接地层不向电路的敏感部分耦合噪声。例如,输人、输出旁路电容就经常通过接地层传输电流,高频电流对于敏感电路会产生不可忽视的影响。为避免这种问题,常常在电路板上采用独立的层面,分别用于电源和信号的接地。将不同层面在单点连接,那么,大功率接地层上的噪声就不会注人到其它层面上去。这种做法类似于所有元件在单点接地的星形地(所有线条以“星”形汇聚至接地点)。星形接地的效果等同于采用独立的功率和信号接地,但在一个比较复杂的、包含许多接地元件的大型电路中无法实施。

  如果已知某个节点对噪声敏感,那么所有连接到该节点的线条和导线都应该远离那些有大幅度电压变化的节点走线。如果做不到,需要增加一个良好的接地或屏蔽。良好的电容旁路也可以降低这些节点对串扰的敏感度。通常,一个连接于节点和地之间,或者是节点和电源总线之间的小电容,就可构成一个适当的旁路。

  在选择旁路电容时,要确保其在可能引起问题的频率范围有足够低的阻抗。ESR和ESL可能会使电容器在高频下的阻抗高于预期,因此,具有低ESR和ESL的陶瓷电容被普遍用于高频旁路。陶瓷电介质对于性能的影响也比较大。较高容量的电介质(例如Y5V)会使电容随着电压和温度的改变发生比较大的变化。在最高额定电压下,由这种陶瓷制成的电容器的容量会比无偏压时的容量低15%之多。更好一点的电介质具有稍低的电容量,但对串扰的抑制与偏压和温度的相关性更低,很多情况下可以提供更稳定、更优良的旁路。

  旁路电容的放置也很讲究。为了抑制高频噪声,最好使需要旁路的信号线直接通过旁路电容走线。在图8a中,与电容器串连的那段线条会增加ESR和ESL,增大了高频阻抗,使电容器作为高频旁路的效果大打折扣。更好的布线方式(见图8b)是使线条直接通过电容器,这样,线条的离散ESR和ESL将协助电容产生更好的滤波效果。

  有些节点不能采用旁路措施,因为这样做会改变其频率特性。一个例子就是用于反馈的电阻分压器。大多数开关电源中,电阻反馈分压器将输出电压分压至误差放大器可以接受的电平。加到这个反馈节点的大容量旁路电容和节点上的电阻构成了一个极点。因为分压器是控制环的一部分,这个极点就成为环路特性的一音盼。如果极点频率不超过转折频率的一个十倍频程,它所产生的相位或增益效应将给环路稳定性带来不利影响。

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