强化EMI、ESD与电源品质 应重视电路接地与滤波设计 智能应用 影音
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强化EMI、ESD与电源品质 应重视电路接地与滤波设计

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电路设置common-mode chokes可改善电源品质。schaffner
电路设置common-mode chokes可改善电源品质。schaffner

现多数3C或IT设备,大多是以数码电子电路运行,极少部分有类比电路搭配,而所谓的数码电子电路,在传输数据的本身仅需提供准确的0与1信号,但实际上电子电路仍需要加诸能量维持0与1信号的传输位准,而这些能量又经过IC元件消耗,并加上交换式电源导致的噪讯问题,设计不良将对产品稳定度产生影响...

对电子电路设计来说,稳定的电源供应,将可让设备运行更趋稳定、正常,尤其在数码电子电路方面,即便传输的数据是明确的0与1信息,但随着3C与IT装置的效能要求越来越高,电路间传送信息的频率大幅提升,数据量暴增造成只要传输信号位准出现飘移,就很容易造成数码电子电路功能产生异常。

利用电源滤波模块,可让外部电力来源品质获一定程度之提升。VICOR

利用电源滤波模块,可让外部电力来源品质获一定程度之提升。VICOR

EMI/ESD多功能滤波阵列小型化元件,可简化电路设计,同时缩小元件占位面积。Vishay

EMI/ESD多功能滤波阵列小型化元件,可简化电路设计,同时缩小元件占位面积。Vishay

阵列滤波器可以改善不同模块间的信号传输品质。shieldtechnic

阵列滤波器可以改善不同模块间的信号传输品质。shieldtechnic

无金属壳之板式阵列电容滤波器,可以减省PCB上的电容占位问题。shieldtechnic

无金属壳之板式阵列电容滤波器,可以减省PCB上的电容占位问题。shieldtechnic

阵列滤波器可针对电路设计需求,选择合宜的界面数量、形式,强化电路滤波设计。shieldtechnic

阵列滤波器可针对电路设计需求,选择合宜的界面数量、形式,强化电路滤波设计。shieldtechnic

电源噪讯问题将影响设备稳定运行

即便是数码电子电路本身可专注处理数据,而不用太过顾忌电源稳定性问题,但实际上为了缩小产品体积、维持电源供应能量,多数电子装置大多采行高效率的交换式电源处理设备供电需求,由于交换式电源本身为高频运作,相关处理过程本身就极易产生电源噪讯,若设计不良可能令噪讯影响到正常电路运行状态。噪讯的来源有EMI、电源位准飘移、突波...等问题,即便多数问题可利用保护元件进行信号处理,但再多的电源稳定补强设计,都必须搭配接地设计方案,来进行整体地源设计的稳定性能提升。

先理解电路的基础状态,电子电路必须形成一个loop才能构成,一般电源线与接地Ground为成对出现,为使电子电路形成良好运行状态,必须在电源端与Ground端均维持稳定状态,尤其是无噪讯的电位表现为电路稳定运行的重点。至于电路赖以运行的电源可以自电子设备外部供应,或是由设备装置内的电源电路产生,而外部供应之电力来源多为市电AC 110V,经过变压电路将电力自AC交流电转换为DC直流电源。

而以外部电源的应用场合观察,一般电子设备连接市电110V电源,多数会于其他设备共享电力来源,基本上连接同一组电力线的相关设备并不会产生过多Noise噪讯,反而是电源本身的插拔电力供应状态的瞬变产生的突波,甚至是电力线本身的外部噪讯或不稳定电力来源,都会影响电源供应品质。当电力品质不佳,不仅会影响电子电路稳定性,长时间下来还会让设备的保护元件寿命减短。

交换式电源高频噪讯 需有效隔离避免影响电路

至于AC转换至DC的电力转换线路,多半采行交换式电源(switching power)处理电力需求,在电路设计上交换式电源本身就会产生大量噪讯,这些噪讯若不有效处理,对于电子电路的线路位准将会产生明显的飘移与误差。改善交换式电源的噪讯问题,通常会在电源线增设filter电源滤波元件,滤波器可以消除一部分自AC电源而来的噪讯,同时也能减少自设备交换式电源产生的噪讯影响连接同一组电力线的其他设备。

另一种设备电力供应状态,为设备内利用内建电池进行电路运行电力供应,多数场合为使用一次性电池或可多次反覆充电使用之二次电池。与连接市电取得外部电力的设备设计不同的是,运用电池供电(不管是一次或二次电池),电池本身不仅不会如同交换式电源产出大量高频杂讯,反而电池本身的物理特性,还可吸收或是兼具如电源滤波器的应用效果。

虽说电池供电设备本身的电力干扰问题小许多,但电池本身的物理特性在放电过程中,仍会随着驱动电路的负载变化而产生供应电压的对应变化,甚至电池本身放电特性的差异,也会对应使得电路供应电压出现电压下滑问题。如果针对移动设备电池供电设计中增设交换式稳压设计维持电力输出稳定性,但DC-DC转换之switching regulator设计方案仍会如AC-DC交换式电源设计一般,也会因switching regulator而产生大量电源噪讯问题。

妥慎处理接地设计 提升设备电力稳定性

而在实际电路设计时,先前提过,电力线与接地线成对出现设计之中,而Ground为提供电子电路电位基准的关键,信号在电子回路中理论上是将电路的阻抗视为0欧姆,但实际上导线或是PCB电路板的电路本身仍具一定程度的阻抗,这意味着电流于线路中传输会产生电压,而此时接地的电位也会出现差异,加上线路与线路间的电感状态也会导致高频运行容易产生线路噪讯,这会使电路设计在验证功能的同时,也必须考量线路的杂讯抑制与针对性改善噪讯问题。

为让电路稳定运行,妥善处理电路接地设置是一个较佳的处理方法,尤其是在高电压电源设备、变压设备电路而言,妥善处理接地可让人体触摸设备产生触电的机率减低,因为只要设备机壳妥慎做好接地设计,可以让漏电电流导至机壳接地,避免机壳电位过高,而当人体误触漏电设备也可减低触电伤害。

不只是高功率、高电力电子设备需要进行妥善接地,中?低电力的设备也必须进行,确保设备运行安全。一般取用市电AC电力设备的接地设计,在电源插座本身多数即具备接地线路。例如,美规三孔插座即设置其中一孔为接地线,可用来额外作为设备机壳的接地连接;另日本两孔插座电源,使用其中一线进行接地,但此一般称为AC接地,并无法将此当一般接地使用。

改善寄生电容、电感问题 强化载板高频表现

而多数电子电路所处理的高频信号,通常也会引发各式信号问题,即便杂讯本身为直流、低频信号,但噪讯仍可能经由复杂的电路环境转而变成高频噪讯,因此设备仍须针对高频噪讯进行重点处理,即针对高频噪讯进行接地处理。

而接地电极通常会具备较大面积,而在接地之电极与大地之间需设置电容元件,因应高频时的线路阻抗有效降低,加速瞬间噪讯可以快速自接地纾解。实际线路中,导线在高频产生的阻抗很难去忽略它,即便是直行导线的直流阻抗通常都可在设计时忽略不考虑,但线路电感产生的阻抗却相当明显而无法无视它!一般而言导线之线径越粗,可让线路之电感降低,但实际在设备中却难以做到,因为设备体积持续要求缩小,使用电路载板持续微缩设计,让压低电感的设计方案并不容易实践。

在现有的设计方案中,我们仍有相当多用以解决EMI/EMC问题的关键零组件,例如,使用共模电感元件,利用共模干扰抑制元器件,针对共模信号的大电感问题提供抑制作用,对于差模电流可在线路中达到几乎没有电感量,使我们需要的信号可几乎在无衰减的状态下通过。但共模阻抗设定一般是越大越好,但使用时须注意选择需要的滤波频段,这可参照元器件的规格进行选择。

另针对高频噪讯,我们也可搭配滤波电容进行改善,但在实际应用电路中,要十分注意电容的谐振问题,面对在高频移动设备的设计方案中,需滤除的电磁噪讯可能高达1GHz,这时需使用特殊电容器搭配进行抑制高频噪讯,导入设计同时需注意导线间的寄生电容问题而产生耦合状况,导致滤波电容的效果表现低下。

对于高度复杂电子电路应用需求,可能在同一设计中即出现高电力与数码电子电路混合的状况,常见的作法是把电路区隔采区块设计或模块化区隔不同功能电路,但电路与电路间的传输界面线路,也必须做好妥善的滤波电路设计,但要在有限载板设置大量滤波电容肯定不容易进行,但现在也有保护元件业者推出滤波阵列整合元件,解决用户的产品设计需求。