如何解決電路板的EMI問(wèn)題

變壓器與EMI的關(guān)系
系統設計工程師解決棘手的EMI問(wèn)題時(shí)，很多時(shí)候都未能認真地研究變壓器的設計。變壓器與EMI之間有如下的關(guān)系。
?由于變壓器的線(xiàn)圈帶有高頻電流，因此變壓器實(shí)際上已成為接收 H 場(chǎng)的天線(xiàn)。這些 H 場(chǎng)會(huì )沖擊附近的走線(xiàn)，并通過(guò)這些走線(xiàn)將 H 場(chǎng)傳導或輻射到密封的范圍以外。
?由于部分線(xiàn)圈有擺動(dòng)電壓，因此實(shí)際上它們也成為接收電磁場(chǎng)的天線(xiàn)。
?初級及次級線(xiàn)圈之間的寄生電容可以將噪聲傳送到絕緣層之外。由于次級線(xiàn)圈的接地通常都與底板連在一起，因此這些噪聲又會(huì )通過(guò)這個(gè)接地面傳送回來(lái)，成為共模噪聲。因此為了減少泄漏電感，最好將初級及次級線(xiàn)圈緊靠在一起，但這樣也會(huì )增加線(xiàn)圈的互感，從而增加共模噪聲。
下面介紹一些有助于防止上述干擾情況出現的技術(shù)。
?符合安全規格的變壓器都在初級及次級線(xiàn)圈之間貼上三層符合安全規格的聚酯 (Mylar) 膠帶。除了這三層聚酯膠帶之外，可能還會(huì )另外加插一片法拉第屏蔽銅片，以便將匯集在絕緣邊界的噪聲電流收集在一起，并將這些噪聲電流分流到別的地方 (通常會(huì )傳送到初級線(xiàn)圈的接地)。值得留意的一點(diǎn)是，應該采用極薄的銅片作為屏蔽，以免因出現渦流而產(chǎn)生損耗，并確?？蓽p少泄漏電感。這片銅片一般厚 2~4 密耳(mil)，只環(huán)繞中央盤(pán)一周。另外還有一條導線(xiàn)焊接在銅片中心的附近，而另一端則連接初級線(xiàn)圈的接地端。這里要注意，銅片屏蔽的兩端不應該有電導性能上的連接，因為對于變壓器來(lái)說(shuō)，這樣會(huì )令這一繞圈短路。也可以在次級線(xiàn)圈上 (即加了三層絕緣之后) 再加設一個(gè)法拉第屏蔽，而這個(gè)屏蔽則與次級線(xiàn)圈接地連在一起。
?通常變壓器的外圍會(huì )有一層銅片屏蔽(即“磁通帶”)包圍著(zhù)。這個(gè)屏蔽主要用以遮擋輻射。低成本的設計通常會(huì )任由這個(gè)屏蔽浮動(dòng)，但如有需要，這個(gè)屏蔽也可與次級線(xiàn)圈接地連在一起。如果按照這個(gè)方式連在一起，便需要考慮一些安全方面的問(wèn)題，例如加強初級及次級線(xiàn)圈之間絕緣效果的規定問(wèn)題，以及如何規定初級至次級線(xiàn)圈之間的“蠕動(dòng)”(沿著(zhù)絕緣面的一段距離)及“間隙”(空間的最短距離)問(wèn)題。如果變壓器的外盤(pán)設有空氣隙，源自空氣隙的周邊磁通會(huì )在磁通帶產(chǎn)生嚴重的渦流損耗。因此這個(gè)磁通帶的厚度通常也只有 2~4 密耳。需要注意，這個(gè)磁通帶的兩端可以而且應該焊接在一起，因為這是外層屏蔽，無(wú)論怎樣也不會(huì )讓變壓器的繞線(xiàn)出現短路情況。但像拉法第屏蔽一樣，如果采用良好的繞線(xiàn)技術(shù)，這個(gè)外層屏蔽也可以不用。
?從電磁干擾的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，回掃變壓器最好采用中央設有間隙的設計，即變壓器的外盤(pán)并無(wú)間隙。無(wú)屏蔽的空氣隙會(huì )在周邊產(chǎn)生電磁場(chǎng)，換言之，會(huì )產(chǎn)生大量EMI信號。這些干擾除了會(huì )導致磁通帶產(chǎn)生大量渦流損耗之外，也會(huì )成為強力的輻射源。
?初級線(xiàn)圈通常會(huì )設有一個(gè)輔助線(xiàn)圈，為控制器及相關(guān)電路提供低干線(xiàn)電壓。輔助線(xiàn)圈的其中一端與初級線(xiàn)圈接地連在一起。只在輔助線(xiàn)圈的線(xiàn)軸上繞一層線(xiàn)，而且利用一個(gè) 22pF~100pF 的小型陶瓷電容器，再利用交流電將輔助線(xiàn)圈的另一端 (即二極管的一端) 與初級線(xiàn)圈接地耦合在一起，以確保輔助線(xiàn)圈可以收集及轉移更多噪聲(正如圖 1 所示)，如果依照以上所說(shuō)進(jìn)行，輔助線(xiàn)圈便可提供多一個(gè)屏蔽 (雖然這是一個(gè)粗糙的法拉第屏蔽)。但實(shí)際上并不需要這個(gè)法拉弟線(xiàn)圈提供任何電流。因此這個(gè)電路根本無(wú)需采用這個(gè)線(xiàn)圈?？梢圆捎眉毦€(xiàn)以較疏的間距繞線(xiàn)圈，線(xiàn)的一端連接初級線(xiàn)圈接地，而另一端的 22 pF 小型電容器則直接接地。
?由于場(chǎng)效應晶體管的漏極產(chǎn)生擺動(dòng)電壓，因此最好將初級線(xiàn)圈的這一端盡量埋藏在最底的一層，即應該屬于底層繞線(xiàn)的第一層。外層繞線(xiàn)便可將來(lái)自這層的電磁場(chǎng)屏蔽。這個(gè)線(xiàn)圈的漏極端絕對不應放在靠近“安全屏障”(三層膠帶) 的位置。闖進(jìn)來(lái)的噪聲電流與寄生電容器兩塊銅片之間的凈 dV/dt 成正比。若大幅降低電容，便會(huì )對泄漏電阻造成不利的影響，因此應該盡量減低這個(gè)電容器的凈 dV/dt 值。
?通過(guò)比較圖 1 左邊的結構框圖與右邊的電路圖，便可發(fā)現任何線(xiàn)圈的首尾兩端都有特別的標示。尤其是右邊的電路圖，開(kāi)始的一端全部用黑點(diǎn)標示出來(lái)。以典型的生產(chǎn)流程來(lái)說(shuō)，繞線(xiàn)機每一次繞線(xiàn)都采用同樣的旋轉方向，所以所有開(kāi)始端 (以黑點(diǎn)標出的一端) 都有同樣的磁性性能(因此如果某一黑點(diǎn)處于高位，其它黑點(diǎn)也同時(shí)處于高位，這與另一端的表現不同)。若細心留意其中的真實(shí)距離，便會(huì )發(fā)現某一線(xiàn)圈的每一黑點(diǎn)端都很靠近下一線(xiàn)圈的無(wú)黑點(diǎn)端。
?換言之，以圖 1 的回掃變壓器來(lái)說(shuō)，次級線(xiàn)圈的二極管端一定靠近安全屏障。因此雖然次級線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生一部分 dV/dt ，但初級線(xiàn)圈只有極小的 dV/dt，令屏障兩邊只產(chǎn)生極小的凈 dV/dt。這個(gè) dV/dt 值會(huì )比初級線(xiàn)圈漏極靠近安全屏障的數值小得多。若變壓器線(xiàn)圈的繞線(xiàn)方式有錯，即圖 1 所示的首尾兩端以反方向繞線(xiàn)，便會(huì )出現初級線(xiàn)圈漏極靠近安全屏障的情況。若采用這種設計，便會(huì )有大量的共模噪聲直接闖入底板/接地。
?圖 1 的變壓器有它的優(yōu)點(diǎn)，那就是次級線(xiàn)圈的無(wú)噪聲端 (接地) 屬于最外層。這一層形成一個(gè)很好的屏蔽，因此可以無(wú)需采用銅片屏蔽環(huán)繞該線(xiàn)圈。
?可以利用同樣的原理解釋正向轉換變壓器的操作，但由于受到前述線(xiàn)圈的擺設次序所限，令初級及次級線(xiàn)圈的無(wú)噪聲端自動(dòng)分隔在安全屏障的兩邊。從傳導電磁干擾的角度來(lái)看，這個(gè)安排較好，因為極少噪聲會(huì )通過(guò)寄生電容闖入線(xiàn)圈。但最外層已不再屬于無(wú)噪聲區，而且可能會(huì )有輻射問(wèn)題出現。在這樣的情況下，必須采用屏蔽將線(xiàn)圈包藏起來(lái)。
?正向轉換器外層輻射問(wèn)題有一個(gè)解決的辦法。即要求制造商將次級線(xiàn)圈 (只限于次級線(xiàn)圈) 的繞線(xiàn)方向反過(guò)來(lái)。例如，繞線(xiàn)機一直按照順時(shí)針?lè )较蜻M(jìn)行繞線(xiàn)，但到次級線(xiàn)圈時(shí)，可以按反時(shí)針?lè )较蚶@線(xiàn)。若按照這個(gè)方式繞線(xiàn)，以上所說(shuō)有關(guān)回掃變壓器的運作原理也適用于正向轉換變壓器，令轉換器的外層在沒(méi)有屏蔽時(shí)也不會(huì )受輻射干擾。
?正向轉換變壓器并無(wú)空氣隙，即使有，這個(gè)空間也很窄小，因此它是低噪聲變壓器。此外，也可按照鄰近效應的分析，將線(xiàn)圈交錯排列，以便大幅減少能產(chǎn)生泄漏磁通及EMI的磁力。
?將晶體管安裝在底板之上時(shí)，可以嘗試將散熱片的電容感生電流消除。辦法是采用另一線(xiàn)圈，其匝數與主線(xiàn)圈相同，但相位相反，而線(xiàn)圈的繞線(xiàn)可以更為細小。
棒式電感器經(jīng)常用于輸出端的濾波后 LC 級。由于這些電感器采用開(kāi)放式結構，因此一直稱(chēng)為“電磁干擾大炮”。由于這類(lèi)棒式電感器成本較低，而且占用較少電路板空間，因此至今仍然有人使用。但它們應垂直放置，若兩條棒式電感器同樣用于某一輸出，則應該采用相同的繞線(xiàn)方式將繞線(xiàn)繞在兩條棒上，然后將印刷電路板的設計稍加修改配合，使兩條棒的電流以截然相反的方向流動(dòng)。這樣有助于將某一電感器的磁通直接耦合到另一電感器，確保不會(huì )有太多磁通溢出。

布局設計
應小心審視每一布局，以確定印刷電路板哪一部分走線(xiàn)最具關(guān)鍵作用。啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，電流若突然間開(kāi)始或停止流動(dòng)，往往會(huì )令走線(xiàn)產(chǎn)生電感尖峰。每一次過(guò)渡時(shí)，這一部分走線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生極高的 dI/dt 尖峰電流。根據以往的經(jīng)驗，即每一英寸走線(xiàn)有 20nH電感，電壓尖峰可以利用方程式 V=L(dI/dt) 計算出來(lái)。這些高頻電流環(huán)路的面積必須盡量縮小，因為這些電流不但會(huì )產(chǎn)生EMI，而且還會(huì )闖入內置式開(kāi)關(guān)穩壓器的控制電路，令操作出現錯誤。
構思設計時(shí)必須小心，以防無(wú)意中令走線(xiàn)產(chǎn)生擺幅過(guò)高的電壓，因為高擺幅電壓的走線(xiàn)會(huì )成為極易接收電場(chǎng)信號的天線(xiàn)。無(wú)論采用什么布局，連接開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的走線(xiàn)很容易產(chǎn)生這種天線(xiàn)效應。因此需要加大其銅線(xiàn)面積，以降低電感。
接地也是降低EMI整體水平的好辦法，而且是非常有效的方法。以多層式電路板為例，電路板的外層都設有電源器件及相關(guān)的走線(xiàn)，如果連接的下一層是接地，EMI會(huì )下降 10~20 dB。若與采用成本較低的單/雙面電路板相比，這個(gè)方法更具成本效益，而且無(wú)需采用笨重的濾波器。但這樣的接地面必須確保傳送的信號完整無(wú)損，因為在低頻環(huán)境下，回流電流有這樣的傾向，就是喜歡選擇最短的直線(xiàn)路徑，但較高頻的諧波大多數會(huì )直接在另一面的正向走線(xiàn)下按照自己的影像復制。只要有機會(huì )，電流就會(huì )自動(dòng)縮小其包圍面積，因為這樣可降低走線(xiàn)的電感，以及為電流指示一條最低阻抗的路徑。若因考慮不周而在不適合走線(xiàn)的地方將其它走線(xiàn)貫穿接至地面，會(huì )導致真正需要該部分接地面的功率轉換器級受其影響，令其回流電流繞過(guò)貫穿的走線(xiàn)，這樣會(huì )產(chǎn)生頻槽天線(xiàn)效應。

問(wèn)題的解決辦法
最好的辦法還是先將共模及差分模式的信號分開(kāi)，然后分別加以研究，以便調試不理想的頻譜。LISN 的讀數只提供總傳導噪聲中的某一加權部分，因此除非有特別的輔助配件 (包括經(jīng)修改的 LISN)，只能通過(guò)猜測來(lái)確定哪一部分EMI屬于差分模式，哪一部分屬于共模。若只靠 LISN 讀數，未必知道干擾的真正原因。圖2 顯示兩條電流探測路線(xiàn)，它們互相纏繞在一起，其效果好像利用“聯(lián)立方程式”將共模與差分模式的部分分開(kāi)計算。實(shí)際設計當中，同時(shí)進(jìn)行這兩項測量比分開(kāi)進(jìn)行好，因為這樣可以知道共模信號與差分信號之間的相對相位關(guān)系。這是非常寶貴的信息?！?/P>