电子系统设计：干扰控制技术(2)
　

８．电源设计：
　　开关电源是３０ＭＨｚ以下传导和辐射噪声的主要来源。当小输出电流工作时，线性电源会产生“汽船声”即（产生低频锯齿波），而当用长线驱动较差的旁路负载时，还可能振荡。另一个问题是，当输入输出端隔离较差时，会使电流线噪声进入产品，并使产品噪声增加。这些问题可以通过适当选择元器件、仔细布线、旁路良好、滤波以及屏蔽等方法加以解决。
　　图８－１给出线性电源原理图。变压器Ｔ１升高或降低线路电压，并提供初次级隔离，ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３和ＣＲ４对次级电压整流并对滤波电容器充电，Ｖref为Ｑ１的偏置电压，用来稳定输出电压Ｖout=Vref-Vbe(Q1)，图８－２表示电源的高频模型——由ＨＩ至Ｖout，以及由ＬＯ至Ｖout，此电源有１３pＦ串联电容和５０pＦ关联电容，所以大约２０％的电源线噪声将到达产品中，而且反之亦然。


  
图8-1 线性电源原理图

  
图８－２　基本线性电源的高频模型

　　在大多数交流电源线上，高频噪声是极普遍的。大约平均每数分钟可观察到一次２００Ｖ尖峰，每天可观察到一次４００Ｖ尖峰，每年一次１０００Ｖ尖峰，在雷电高发区，室内平均每天能观察到１０００Ｖ尖峰约两次，每年能观察到５０００Ｖ尖峰的一次。办公室和车间附近有电动机时将产生１５００Ｖ至２５００Ｖ尖峰，将有更多噪声。雷电可以将１０至２０ＫＶ尖峰置于室外电源线上，而将２至６ＫＶ尖峰置于室内电源线上（限于墙上电源插孔的电弧过电压６ＫＶ）。作为一般规则，电源应当能经受３ＫＶ尖峰噪声而不被损坏，而高可靠性电源则应安全经受６ＫＶ尖峰噪声。
　　汽车引起的环境电磁干扰也很严重，发动机由满载突然下降，能产生＋１２０Ｖ尖峰。电感性负载的开与关能产生－３００Ｖ～＋８０Ｖ尖峰。成束导线中，导线之间的耦合能产生＋２００Ｖ尖峰，而点火装置突然熄火，将产生－１００尖峰。通常条件下，都伴随有±１.５Ｖ噪声，而点火系统伴随有±７.５Ｖ。
　　电子设备防护电源线尖峰干扰的一种方法是采用浪涌吸收器，例如，我的家用计算机、打印机、彩色监视器，以及绘图仪都插入六插口“电源浪涌吸收器”。我的系统将和未加防护器时一样正常的工作，但我喜欢所提供的附加防护。这个特殊的单元包含金属氧化物压敏电阻器，它是一种非线性电阻器。浪涌吸收器的其它类型有，碳化硅压敏电阻器、齐纳二级管、气体放电管等。表８－１列出了这些器件的主要性质。　

表８－１　浪涌吸收器的尖峰抑制特性

器件类型 击穿电压 非线性a＊ 额定电流（Ａ） 电容量 响应时间
气体放电管
压敏电阻器
碳化硅可变电阻
Ｓurgector/Thy Zorb
Transzorb
齐纳二极管 70-40，000
6-4700
9-1000
5-600

6-500
1-700 -
15-30
2-7
-

≈35
30-100 1000-10，000
10-70，000
1-1000
5-3500

2-2000
1-500 0.5-10
10-33,000
30-4000
90-200

10-90,000
2-60,000 50-5000
＜1-50
300-10，000
10-10，000

＜1-10
＜1-25

*I=KVa（A）　

　　电源中的整流器导通时产生电压尖峰，截止时产生电流尖峰。采用软恢复整流器或高额定电压和电流整流器。其它可以采用的方法有，限制通过整流器的电流（图８－３(a)），降低整流器电流变化的速率（图８－３(b)）及（c)),或用高质量旁路电容器吸收尖峰（图８－３（d)和（e））。肖特基二级管整流器则需采用ＲＣ缓冲器，防止整流器截止时出现振铃（图８－３(f)）。图８－３(a)、(b)、(c)和（e）中的尖峰掏器也能抑制外部噪声，或将外部噪声旁路至地，增加电源的输入输出隔离，并降低产品对噪声的敏感度。（注：开关电源中的二级管必须比开关三级管截止得更快，或电源能自行抑制其自身产生的噪声尖峰。）


  
图８－３　减小整流器的通断瞬态效应


  
  

图８－４　在原边抑制噪声

　　让我们看看，应如何验证图８－１中电源存在的噪声。我们最大的问题是电源噪声，因为它能损伤产品。图８－４（a）为典型的民用电源线滤波器。Ｌ１和Ｌ２抑制高频噪声，Ｃ２和Ｃ３旁路高频差模噪声，而Ｃ４和Ｃ５旁路高频共模噪声。典型值是Ｌ１＝Ｌ２＝１.８～４７mＨ，Ｃ２＝Ｃ３＝０.１～２μＦ，而Ｃ４＝Ｃ５＝０.５mＡ。我们还需要一个阻值为Ｒ１＜０.４ΩＦ／（Ｃ２＋Ｃ３）的泄放电阻，为Ｃ２和Ｃ３放电。（注：滤波器的谐振频率必须低于开关频率。）
　　有时我们只需要进行少量的滤波，图８－４（b）的电路就足以工作。Ｃ３是低质或塑料电容器，Ｃ４和Ｃ５是标准１.４ＫＶ瓷片电容器。Ｒ２和Ｒ３是碳膜电阻器。这个电路可以安装在接线板或印制板上，但应使电容器引线尽可能短。在电源线滤波器中采用的所有元件应当能经受住滤波器额定交流电压的两倍和额定交流电流的两倍。对于线性电源，滤波器的截止频率应当至少是最高交流输入频率的１.５倍。
　　我们也可以将电源变压器屏蔽起来。常规的变压器有１０至５０pＦ匝间电容。法拉第屏蔽变压器的屏蔽壳于直流地之间（图８－５（a））有≈０.0１１pＦ匝间电容。对于双侧屏蔽变压器，其初级屏蔽应当接大地，而次级屏蔽应接至直流地。法拉弟屏蔽变压器将使噪声问题确定，为此可使用中心抽头隔离变压器，如图８－５（b)所示。如果只需要少许减少匝间电容，也可试用分裂式变压器和环形变压器。




  
图８－７　噪声抑制线性电源的高频模型

　　现在让我们看看，我们能在电源次级做些什么（图８－６）。我们可以将铁氧体磁珠套在变压器引线上，抑制噪声尖峰，减缓充电电流脉冲，并减少整流截止尖峰。我们可以用压敏电阻Ｒ１将高压尖峰箝位，用小电容Ｃ６和Ｃ７将高频噪声旁路至地。要减小电源输出的噪声，可附加馈通电容器Ｃ８和铁氧体磁珠Ｌ５。（注：Ｌ３和Ｌ４对低阻抗负载很有效）
　　图８－７为全部噪声抑制的电源的高频模型。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４和Ｌ５可以阻挡电源线至产品的高频噪声。Ｒ１将高压尖峰箝位，而Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７和Ｃ８将高频噪声旁路。非常小的噪声将通过电源电路，但必须使交流线路远离直流线路，使输入和输出保持隔离。
　　由于开关晶体管和散热器之间的电容性耦合，开关电源可能发射过量的噪声。将在云母绝缘片上的ＴＯ－３晶体管有１００至２５０pＦ寄生电容。在晶体管和散热器之间设置屏蔽，并将屏蔽接至直流地，可将此电容减小至１pＦ。一种称为“Ｓil-Pad屏蔽“的专用绝缘材料就是为此目的设计的。
　　可以对高频和低频电路分别使用电源。同样，如果产品具有高压和低压电路，为了隔离低压电路应当采用自己的电源或采用调压器。如果电源不带遥控，电源端口之一应当接至机壳地。如果带遥控的电源用来驱动单一的负载，负载端口之一应接至机壳地。如果带遥控的电源驱动多个负载，应将敏感点之一接至机壳地。
　　１９８０年我研制了一台电源测试仪，并发现电源的＋５Ｖ输出在＋５.１Ｖ和６.５Ｖ之间变化。用示波器观察＋５Ｖ输出，我看到一个锯齿波，在１００～２００ms内降至＋５.1Ｖ，然后在５０μＳ内跳于６.０～６.５Ｖ。这种现象可说明如下：（１）输出电压太高，所以导通的晶体管被截止；（２）输出电压逐渐降至＋５.１Ｖ，晶体管开始导通；（３）输出端立刻向输出电容充电，超过一定电压后，导通晶体管再次被截止。当我询问设计者时，他告诉我，＋５Ｖ输出是为１００mＡ和２００μＦ最小负载设计的。所以我加了一个２２０μＦ电容器和５０Ω电阻在测试仪上。至今该测试仪已良好地测试了１００，０００台电源，没有发现其它干扰问题。
９、分隔
　　分隔就是电子系统中决定什么应当去何处的处理。我们能够通过控制共阻抗耦合、电感性耦合、电容性耦合和天线效应，将产生噪声的电路和敏感电路分隔开来，使噪声和干扰问题最小。无们应当（１）使小功率（敏感）电路紧紧靠近信号源，（２）使大功率（产生噪声）电路紧紧靠近负载，（３）尽可能分开小功率电路和大功率电路，（４）使导线尽可能短，（５）使电流环路尽可能小。
　　我们从将电路划分为五类开始：（１）灵敏的高阻抗电路（｜Ｚ｜≥３７６.７Ω，属于电容耦合），（２）灵敏的低阻抗电路（｜Ｚ｜≥３７６.７Ω，属于电感性耦合），（３）中等灵敏／中等功率电路，（４）高压电路，以及（５）大电流电路。模拟电路通常属于前两类。我们能安全地将同一类中的电路进行组合，但必须使高阻抗电路远离高压电路，使低阻抗电路远离大电流电路。通常，汉我们必须连接不同尖的电路时，互连信号应当具有中等灵敏度和中等功率。
　　一个给定的电路组合中的电路应当具有相同的输入／输出要求和相同的噪声特性。这个要求将大多数系统划分为模拟、数字、电流和电磁设备／驱动器等组件。我们也应将高频和低频电路分入不同的组件。每个组件应尽可能小而且简单，并接入自身的电源／接地系统。组件中的导线应当设计成低阻抗，使电流环路尽可能小。
　　安装变压器、螺线管和其它电磁器件时，应使它们的磁场彼此正交，并远离电缆。电缆应设计成最小长度、最小阻抗、和最小环路面积。用于高速逻辑电路的电缆应至少将屏蔽层的五分之一接地；用于中速或低速逻辑电路的电缆至少应将屏蔽层的十分之一接地。要使敏感电路和它们的电缆远离其它电路，并使系统的支撑结构提供屏蔽，将组件的接地系统连接到唯一的单点，并将接地的屏蔽体包围高阻抗电路和高压电路。

１０.接地
　　每个接地系统都是矛盾要求的折衷。接地系统必须：
　　为信号组成电压基准网络（典型情况下，模拟电路为±１００mvＶ数字电路为±２００mＶ）
　　承载信号回流，
　　承载功率回流，
　　为天线形成基准面，
　　保持天线附近的高频电位，
　　保护人和设备不受雷电伤害，
　　保护人和设备不受电源线路故障的伤害，并泄放静电。
　　接地系统必须仔细设计的满足所有这些要求，同时使引起噪声问题的信号之间的无用耦合最小。
　　Ｈ.Ｏtt定义接地为“一个低阻抗路径，用来将电流返回到源。”按照这个定义可以看到，在接地系统中，任何一个电流都将引起电位差。如果要使设备正常工作，必须使这些电位差比信号小得多。所以我们设计接地系统的目标是：（１）使接地阻抗尽可能低，（２）控制源和负载间的电流。
　　我们的第一个问题是：“这个系统有多大？”如果我们将频率为f（Ｈz），波长为λ＝2.998×１０８／f（m）的信号加至（１(m）长的一段导体上，我们将预期直到｜Ｚ｜欧姆阻抗。但由于驻波，等效阻抗将增加tg(2π１／λ），所以我们实际看到的是｜Ｚ｜［１＋tg(2π１／λ）欧姆阻抗。如果两点相距λ／４、３λ／４、５λ／４、７λ／４、……（m），该导体如同开路。
　　因此，要使电位差低，就必须限制接地系统的尺寸。对于军用设备、发射机、接收机和其它敏感系统，接地点之间的最大距离应当≤0.05λ，这里，λ是用于该系统最高频率信号的波长。这将接地阻抗限制为正常值的１３３％。大多数民用系统接地点之间的间隔取0.1０λ，接地阻抗限制为正常值的１７３％。非敏感系统可取０.１５λ，接地阻抗上至正常２３８％。
　　我们能隔离信号回线，直流电源回线和交流电源回线，这可以用三种独立的接地网络（图１０－１）连接到唯一的一点来构成接地系统。这种方法还可以避免接错。例如，信号地在直流至ＭＨｚ必须具有低阻抗，而不载更大的电流。电流电源地要求由直流至ＫＨｚ为低阻抗，但必须承载较大的电流，同时，交流电源／机壳地在１００Ｈｚ范围要求为低阻抗，并可承载几百安培电流（典型的要求是≤１００mΩ电阻和≤１００μＨ电感，要求使用＃１２铜线或＃１０铝线）。





图１０－１　标准接地符号

　　图１０－２为用于极灵敏电路的浮地系统。这个装置要求电路和机壳全隔离——高电阻和低电容——是较难实现的。该电路必须用太阳能电池或电池供电，而且信号必须通过变压器或隔离器进入或离开系统。为防止静电积累，设计者在信号地和机壳地之间设置了一个高阻值泄放电阻。
  

图１０－２　浮地系统

　　图１０－３表示一个纯单点接地系统。每个电路和每个屏蔽壳体都单独接至单点接地点。每个框架都与机壳有一个搭接点。这个装置将消除共阻抗耦合和低频接地环路。单点接地系统可在上至１ＭＨｚ时工作得很好，而且能在小系统（最大尺寸小于0.05λ）。但敏感模拟电路仍能拾取电感和电容耦合噪声，而不论接地线数目是多少。尽管如此，大多数军用和空间应用都要求采用单点接地系统。



图１０－３单点接地系统

　　图１０－４表示一种改进的单点接地系统。具有相同噪声特性的电路连接在一起，敏感的电路离单点地最近。这种装置减少了所需地线的总数，但共阻抗耦合略有增加。当电路板上有分开的模拟地和数字地时，应当将二样管背靠背互连（图１０－４的ＣＲ１和ＣＲ２）以防止电路板上的静电积累。



图10-4 改进的单点接地系统

　　图１０－５表示多点接地系统。电路和机壳在许多点搭接（１＜０.１λ），使驻波最小，这类接地系统通常用于具有相同噪声特性的高频电路（f≤１０ＭＨｚ）。这种系统要求仔细维护。因为可能产生许多接地环路，而且不应用于敏感电路。



图10-5 多点接地系统

　　图１０－６表示由浮地、单点接地和多点接地系统组合而成的混合接地系统（一种很常见的安排）。在图１０－６（b）中，一个约１mＨ的电感器用来泄放静电，同时将高频电路与机壳地隔离。在图１０－６（c）中，电容器沿着电缆每０.１λ长度安放，可防止高频驻波并避免低频接地环路。当采用后两种安排时，必须小心避免接地系统中分布电容和电感引起的谐振现象。



图10-6 混合接地系统