高速数字电路电源系统的电磁兼容研究

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 随着实时信号处理的速率不断加快,数字电路系统的时钟频率也随之增加。同时,半导体工艺的改进,也使得电路系统中信号边沿速率提升到ns级甚至更高的级别。快速的信号边沿变化使得电路信号产生振铃、反射、串扰、地弹等许多信号完整性问题。而且,这个问题越来越严重。随着电路中器件和芯片工作环境的恶化,电源受到的影响非常严重,电源系统的电磁兼容性设计变得更加富有挑战性。研究电源系统的电磁兼容性设计非常有必要而且非常紧迫。

电磁兼容的相关知识

国家标准GB/T4765—1995《电磁兼容术语》对电磁兼容所下的定义:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”

1 电源系统的电磁干扰方式

电源干扰的复杂性原因之一是包含了许多可变的因素。首先,电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在,这是根据电磁干扰噪声对于电路作用的形态来进行划分的,如图1所示。任何电路中都存在共模和差模电流。共模和差模电流决定了传播的电磁能量的大小。如果给定一对导线,一个返回参考平面,那么这两种模式中至少有一种将会存在,但通常是共存。一般来说,差模信号携带数据或有用信息,而共模信号是差模信号的负面效果,不包含有用信息,是辐射的主要来源,解决起来相当的麻烦。

 


图1 共模与差模干扰示意图

 

 

2电源系统的电磁干扰类型

造成电源干扰复杂性的第二个原因是干扰表现的形式很多,从持续期很短的尖峰干扰直至电网完全失电,其中也包括了电压的变化(如电压跌落、浪涌和中断)、频率变化、波形失真(包括电压和电流的)、持续噪声或杂波,以及瞬变等。我们根据国内外的抗扰度测试的一系列标准和实际应用中常常出现的问题,总结了电源干扰的常见起因,如表1所示。

 

3 电磁干扰的途径

从电磁兼容标准来说,电磁干扰基本上被分成传导噪声和辐射噪声。这也是一种直观分类,一种是接触性的干扰,一种是非接触性。电磁干扰就其实际作用于电路的机理有四种传输方式:传导耦合,电磁场耦合,磁场耦合和电场耦合,如图2所示。


图2 耦合方式

抗干扰措施

因为直流稳压电源既是一个敏感器件也是一个噪声源,因此我们就有如下的滤波策略:一个是对电源系统的前端入口处进行滤波。因为外界对电源系统的影响基本上都是通过入口的电源线引入到电源系统中的。无论是传导噪声,还是辐射噪声都是会耦合到电源线上。因此,该处的滤波要精心处理。二是电源系统的出口,一般来说,这里不应该有太多问题,因为我们选择和设计电源时,都要基于一定的参数和性能指标。但是为了解如何能够达到最佳的电源性能,需要考虑出口的滤波性能。

如图3所示是对所有可能噪声干扰路径的噪声抑制的方法。这就分成两种方法,一种是EMI滤波器,一种是屏蔽。屏蔽更多是涉及到机壳整体的机械结构设计,往往对系统的布局布置有更多考虑。从电路设计的角度,我们更多的是要考虑EMI滤波器。因为更为广泛的干扰都是从线路上溢出或是从线路上的耦合中产生的,因此在线路上的滤波对辐射的抑制效果更明显一点。


图3 抗干扰措施

电源系统的板级电磁兼容设计

在电源设计中的一个重要环节就是电源系统的板级电路设计问题,这也是从电源技术的选择、电源架构的搭建、电源器件的定型,以及电源滤波的设计等一系列的概念设计(原理设计)问题走向了最终的物理实现(PCB 设计)的过程。

在设计数字电路系统中,我们要通过电源分配系统(Power Distribution System)达到两个基本的目的:为数字信号转换提供稳定的电压参考,为所有逻辑器件分配电源。

在实际的电路设计中,要达到这两个目的已经越来越复杂了。在高速数字电路系统中,信号完整性问题变得非常的突出。一个非常重要的问题就是电源分配系统的轨道塌陷(Rail Collapse)。由于电源技术呈现出低电压、开关电源开关频率高频化等一些不利于解决信号完整性的状况,电源完整性被作为一个新的研究方向被提了出来。

通常电源完整性问题主要有两个途径来解决:优化电路板的层叠设计及布局布线和增加去耦电容。下面主要介绍增加去耦电容的方法。

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