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正文

医用开关电源的EMC设计

  目前,医疗器械生产企业大多采用成品开关电源,而大部分供方企业又不能提供符合以上系列标准要求的医用“开关电源”,因此有必要简单介绍一下医用“开关电源”的EMC设计。

  1  正确选用模拟与逻辑有源器件

  电磁干扰发射和电磁敏感度的关键是模拟与逻辑有源器件的选用。

  有源器件可分为调谐器件和基本频带器件。调谐器件起带通元件作用,其频率特性包括中心频率、带宽、选择性和带外乱真响应;基本领带器件起低通元件作用,其频率特性包括截止频率、通带特性、带外抑制特性和乱真响应,此外它们还有输入阻抗特性和输入端的平衡不平衡特性等。必须注意有源器件固有的敏感特性和电磁发射特性。有源器件有两种电磁发射源:传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输,并随频率增加而增加;辐射干扰通过器件本身或通过互连线进行辐射,并随频率的平方而增加。瞬态地电流是传导干扰和辐射干扰的初始源,减少瞬态地电流必须减小接地阻抗和使用去耦电容。

  模拟器件的敏感度特性取决于灵敏度和带宽,而灵敏度以器件的固有噪声为基础。逻辑器件的敏感度特性取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。逻辑器件的翻转时间越短,所占频谱越宽,为此应当在保证实现功能的前提下,尽可能增加信号的上升/下降时间。

  2  PCB板的设计

  实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如印制板两条细平行线靠得太近,会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;另外,由于电源、地线的考虑不周而引起的干扰,会使产品的性能下降。因此,在设计开关电源的PCB板设计时,应注意采用正确的方法。

  每一个开关电源都有四个电流回路:电源开关交流回路、输出整流交流回路、输入信号源电流回路和输出负载电流回路。

  电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流,这些电流中谐波成分很高,其频率远大于开关基频,峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍,过渡时间通常约为50 ns。这两个回路最容易产生电磁干扰,因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路。每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置,调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。

  输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电,输入滤波电容起到一个宽带储能作用—逻辑“地”。输出滤波电容用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直流能量。所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源。若无法与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出滤波电容辐射到环境中。

  建立开关电源PCB板布局的最好设计流程是:放置变压器、设计开关电源电流回路、设计输出整流器电流回路、连线到交流电源电路的控制电路。

  3  印制线的布局

  开关电源中包含有高频信号,PCB板上任何印制线都可以起到天线的作用。印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应,即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并引起电路的问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此,应将所有通过交流电的印制线设计得尽可能短而宽,将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件近距离放置。布线时,还应将电源线、地线的走向与电流的方向一致,这样有助于增强抗噪声的能力。

  4  地线的设计

  4.1 选择单点接地

  考虑到电路各部分回流到地的电流具有差异性,地电位的变化引入干扰,接地电路形成的环流又对干扰影响较大,因而需采用单点接地法,使电源工作稳定,减少自激。单点接地,即是将电源开关电流回路的几个元器件地线都连到接地脚上,输出整流器电流回路的几个器件的地线也接到相应的滤波电容的接地脚上。设计中,同一级电路的接地点应尽量靠近,且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。

  4.2 加粗接地线

  接地电位则随电流的变化而变化,若接地线过细,会导致电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此,每一个大电流的接地端都应尽量采用短而宽的印制线。地线、电源线和信号线的粗细关系为:地线>电源线>信号线。若有可能,接地线的宽度应大于3 mm。