可靠性課程(4=電源抗干擾)

（4）瞬態(tài)干擾的抑制 電網(wǎng)上經(jīng)常會受到瞬時電壓沖擊，包括雷擊造成的過電壓沖擊，電網(wǎng)電壓的浪涌和尖峰，工業(yè)火花以及靜電放電等，這些對電子設(shè)備，特別是微機(jī)化儀器儀表產(chǎn)生極大的危害，輕者使性能指標(biāo)降低，如測量有大的誤差；重者使系統(tǒng)紊亂，或發(fā)生錯誤指令，產(chǎn)生嚴(yán)重的可靠性問題。 常常采用以下技術(shù)措施來預(yù)防思想方法：能量吸收可靠性設(shè)計基本方法——EMC第一頁，共56頁。第一頁，共56頁。①自恢復(fù)保險絲=（PTC）正溫度系數(shù)熱敏電阻——過流保護(hù)器件a)高分子型——尺寸更小，阻值更低，反應(yīng)更快b)陶瓷型——網(wǎng)上產(chǎn)品及技術(shù)信息：1)有表面貼裝的片式濾波器，等效于穿心電容2)國家半導(dǎo)體推出全新技術(shù)的放大器(運放) http://3)壓敏電阻=Varistor 避雷器，過壓保險絲=arrester(or)可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二頁，共56頁。第二頁，共56頁。②壓敏電阻 由氧化鋅、鉍、鈷、錳和其它金屬氧化物所組成，其本體結(jié)構(gòu)形成了PN結(jié)半導(dǎo)體特性，且是一個多結(jié)器件，這些結(jié)是并聯(lián)和串聯(lián)在一起的。串聯(lián)起來的結(jié)有著較高的電壓額定值，并聯(lián)起來的結(jié)則使其能承受高的電流額定值。由于它吸收的能量額定值取決于電壓與電流兩方面，所以它與壓敏電阻的體積成正比。總之，其厚度正比于電壓，面積正比于電流，體積正比于其可吸收的能量。（a）電氣特性——電壓敏感型器件（顧名思義），當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于標(biāo)稱電壓時，它的電阻→∞；而稍稍超過額定值后，電阻便急劇可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三頁，共56頁。第三頁，共56頁。

下降，使其上流過大電流，吸收脈沖干擾的電能，把電壓箝制于某一低電壓數(shù)值上，從而達(dá)到削峰的效果。反應(yīng)時間為毫微秒級(10－9s)。快！可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四頁，共56頁。第四頁，共56頁。 它與兩個特性一致的背對背連接的穩(wěn)壓管非常相似，不僅電壓反向，正向也有箝位特性，從而使正負(fù)脈沖均能消除。能量轉(zhuǎn)換成熱量。只要參數(shù)選擇合理，壓敏電阻有適當(dāng)?shù)墓β暑~定值，將不會對壓敏電阻本身以及被保護(hù)的線路造成損壞。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第五頁，共56頁。第五頁，共56頁。（b）電氣參數(shù)壓敏電壓——恒流條件下出現(xiàn)在壓敏電阻上的電壓值。不同幾何尺寸的壓敏電阻有不同的恒流測試條件。外徑5mm（實際7mm）——測試電流0.1mA 7、10、14、20（9、14、17.5、24mm）——1mA殘壓比——指的是具有規(guī)定峰值的波形（8/20s標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流）通過壓敏電阻，其兩端峰值電壓（稱為最大限制電壓）與壓敏電壓之比，通常在1.7~1.8之間。最大限制電壓及其對應(yīng)的電流（從圖上解釋，在安全區(qū)域內(nèi)）

可靠性設(shè)計基本方法——EMC第六頁，共56頁。第六頁，共56頁?！鲊鴥?nèi)某廠生產(chǎn)的MYD-10K(10mm尺寸)系列壓敏電阻的特性參數(shù)型號規(guī)格壓敏電壓V最大連續(xù)電壓最大限制電壓電容量AC（V）DC(V)VAPFMYD-10K3903925317752600MYD-10K820825065135251800MYD-10K1511509512525025900MYD-10K43143027535071025250最后一位代表有幾個“0”10——10mm，K——電壓誤差10%（J——5%，L——15%，M——20%）?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第七頁，共56頁。第七頁，共56頁。（C）使用 為減少引線電感（感抗）的影響，兩端引線剪得越短越好。 標(biāo)稱電壓的選擇——一般可按使用電壓的1.2~1.4倍關(guān)系來確定，除考慮電壓的波動范圍外，還要注意有效值和峰值間的換算。 對220VAC供電來說，壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)為1.4×1.4(峰值系數(shù))×220V=430V 注意其有固有電容存在，故其不適宜于在高頻電路中工作，適合于電源進(jìn)線，穩(wěn)壓電路等系統(tǒng)中?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第八頁，共56頁。第八頁，共56頁。接法為:可靠性設(shè)計基本方法——EMC第九頁，共56頁。第九頁，共56頁。③瞬態(tài)電壓抑制器（TVS—TransientVoltageSuppressor）是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，有的又稱TVP，AJTVS或SAJTVS。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10－12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晌崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌動率，使兩極間的電壓箝位于一個較低數(shù)值，有效地保護(hù)電子線路使其免受各種浪涌脈沖的損壞。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十頁，共56頁。第十頁，共56頁。a.特點——響應(yīng)時間快，瞬態(tài)功率大、漏電流低，擊穿電壓偏差小，箝位電壓較易被控制，體積小。現(xiàn)在計算機(jī)系統(tǒng)，電子設(shè)備（通信），電源，家電等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。具體應(yīng)用為：①TVS加在信號及電源線上，能防止CPU系統(tǒng)因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)，交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音干擾所導(dǎo)致的失靈。②TVS放置在信號級及接地之間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的干擾。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十一頁，共56頁。第十一頁，共56頁?！鱐VS比壓敏電阻性能優(yōu)越，簡單的比較如下TVS壓敏電阻反應(yīng)速度10－12s10－9s有否老化現(xiàn)象無有最高使用溫度175℃115℃封閉性質(zhì)密封不透氣透氣價格較貴便宜可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十二頁，共56頁。第十二頁，共56頁。b.應(yīng)用—— TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性兩種，按用途可分為各種電路都適用的通用型和專用型，如各種交流電壓保護(hù)器，4~20mA電流環(huán)保護(hù)器。數(shù)據(jù)線保護(hù)器，同軸電纜保護(hù)器，電話機(jī)保護(hù)器等?！靼捶庋b及內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為：軸向引線，DIPTVS陣列（適用多線保護(hù)），貼片式，組件式和大功率模塊式。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十三頁，共56頁。第十三頁，共56頁。背面的

0.3mm=12mil 1mil=mm=0.025mm=25.4mm =10-3×1英寸

△電容感性由兩部分組成: 導(dǎo)線電感 電容的體電感可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十四頁，共56頁。第十四頁，共56頁。其它要點：7.5V-440V的確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓，交流電壓應(yīng)算出最大值1.414×有效值。TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用VWM太低，器件可能發(fā)生雪崩或因反向漏電流太大而影響電路的正常工作。串接分壓電壓，并接分電流。但一般不采用此，可能由于各個器件時間特性的差異，造成器件損壞?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第十五頁，共56頁。第十五頁，共56頁。TVS的最大箝位電壓Vc應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功率必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率，其峰值脈沖電流也應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。t↗，反向漏電流↗，→允許功耗在+25℃~+175℃范圍內(nèi)線性下降50%，擊穿電壓VBR也↘。所以必須查閱datasheet，充分考慮溫度對其特性的影響?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第十六頁，共56頁。第十六頁，共56頁。典型應(yīng)用圖：圖？＝＝＝板書（P.11）(P10反頁)瑞士夏弗納（Shaffner）電子股份有限公司是EMC全球第一品牌，北京光華世通科技有限公司是其分銷服務(wù)公司。 各種EMC濾波器 電感器 饋通濾波器(穿心濾波器) 饋通電容(穿心電容) 輸出濾波器 新產(chǎn)品: 電源線通信解耦濾波器 濾波連接器 EMI/RFI濾波器設(shè)計和制造△TVS的名牌公司有美國的：PROTECKPROTECK(DEVICES)可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十七頁，共56頁。第十七頁，共56頁。1．電源抗干擾2．PCB有關(guān)問題△PCB=PrintedCircuitBoard是電子系統(tǒng)必不可少的部件。設(shè)計和應(yīng)用中，PCB有關(guān)抗干擾的問題很多，這里加以歸納和總結(jié)?！鳌饔行I(yè)廠家鉆牛角尖地聲明“印制電路板”不應(yīng)稱“印制電路”，因為上面沒有元件，僅只有布線。即以他的的英文稱呼為：PrintedWiringBoard.可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十八頁，共56頁。第十八頁，共56頁。1）印刷電路板的類型——（1）單面板——0.2~5.0mm的絕緣基板上僅只有一面敷有銅箔板（通常厚度為35m）現(xiàn)少用。（2）雙面板——0.2~5.0mm（3）多層板——（4）軟印制板——基板是可撓性的層狀塑料或其它質(zhì)軟膜性材料（如聚脂或聚亞胺絕緣材料），厚度一般為0.25~1mm，也有單層，雙層及多層之分。（5）平面印刷板——印刷導(dǎo)線嵌入絕緣基板，基板表面平齊。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第十九頁，共56頁。第十九頁，共56頁。2)基板的類型——（1）酚醛紙基板（又稱紙銅板）——機(jī)械強度低（彎曲），易吸水，耐高溫性能差，價格便宜。（150℃）（2）環(huán)氧酚醛玻璃布板——電氣及機(jī)械性能好，既耐化學(xué)溶劑，又耐高溫潮濕，但價格較貴。（3）環(huán)氧玻璃布板——電氣及機(jī)械性能好，耐高溫潮濕，板基透明。（4）聚四氟乙烯玻璃布——（塑料王）具有優(yōu)良的介片性能和化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫，高絕緣的新型材料。（200℃以上）可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十頁，共56頁。第二十頁，共56頁。（5）特殊印刷板——從低頻到高頻，從剛性板→撓性板①撓性印刷板——沒有或可減少接插件而互聯(lián)。②剛撓性混合多層板③微波(高頻)印刷板——線條與間距原為0.1mm，現(xiàn)在幾乎提高到一個數(shù)量級：0.05~0.06mm乃至0.04~0.03mm可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十一頁，共56頁。第二十一頁，共56頁。④金屬芯印刷板——散熱性好，尺寸穩(wěn)定，有屏蔽作用！△敷銅箔一般是15~20m，35m就是加厚板了，最大可到50~60m。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十二頁，共56頁。第二十二頁，共56頁。3）多層板的布置問題總的原則——每個布線層必須與一個電源或地線層相鄰。多層板的布置層數(shù)/層123456備注2S1GS2PS2為主要層，S2、S3為低速信號層4S1GPS26S1GS2S3PS46S1S2GPS3S46S1GS2PGS3可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十三頁，共56頁。第二十三頁，共56頁。4）板上元器件的布局——按速度分塊！可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十四頁，共56頁。第二十四頁，共56頁。△布局的其它問題：（1）又大又重，發(fā)熱量大的元器件不宜裝在PCB上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上；（2）按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使電路布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向；（3）以每個子功能單元電路的核心元件為中心，圍繞它來布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。（4）電路板的形狀為矩形，長寬比通常取3：2或4：3。尺寸大于200mm×150mm要考慮電路板的機(jī)械強度和彎曲變形問題?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第二十五頁，共56頁。第二十五頁，共56頁。單片機(jī)系統(tǒng)電路板布局①不是唯一的，僅作為參考②還有A/D，D/A部分，作為低速敏感部分可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十六頁，共56頁。第二十六頁，共56頁。5)板上的走線許多EDA工具(如protel)都有自動布線功能。但為了有可靠的，EMC性能好的PCB走線，還是傾向于手工布線。λ/20原則： 根據(jù)天線理論知道，天線長度都設(shè)計為對應(yīng)特定的頻率，對應(yīng)于波長1/4或1/2，以成為一個有效的發(fā)射器。故在PCB走線長度上，要求其長度小于λ/20，λ是其上信號頻率的對應(yīng)波長，包括地線、電源線。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十七頁，共56頁。第二十七頁，共56頁。W(mm)L(cm)1313103031030DC~1KHZ5.7MΩ17MΩ57MΩ170MΩ5.7195710KHZ5.7517.3581755.92061100KHZ7.2249231014622251MHZ441737302.6Ω0.13Ω0.59Ω2.2Ω3MHZ0.13Ω0.52Ω2.17Ω7.8Ω0.39Ω1.75Ω6.5Ω10MHZ0.44Ω1.7Ω7.8Ω26Ω1.35.92230MHZ783.917.565100MHZ4.417732601359220?????????差別不大說明電感成份為主導(dǎo)可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十八頁，共56頁。第二十八頁，共56頁。3-W原則線條之間的距離（從中心線到中心線）必須≥3倍的線寬。兩條跡線之間離開的距離應(yīng)當(dāng)≥單條跡線的2倍寬度。

以減少線間的串?dāng)_（容性耦合和感性耦合）可靠性設(shè)計基本方法——EMC第二十九頁，共56頁。第二十九頁，共56頁。電源與地線盡量按“鏡像層”走線，以減少輻射的環(huán)面積?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第三十頁，共56頁。第三十頁，共56頁?！髯陨淼妮椛湟约敖邮胀鈦磔椛?。不僅線要短更進(jìn)一步“回路面積最小”。在高速（高頻）電路中，將不用的區(qū)域全部用“地”覆蓋，可以減少EMI。多層板中專門設(shè)置一個地面層，如果條件允許的話。電源線和地線要盡量寬。走線不能直角轉(zhuǎn)向，應(yīng)用45角或圓弧過渡。雙面板時，地線布于BottomLayer，且在電路板的最邊緣，起一個抗靜電和屏蔽保護(hù)作用；電源線布上層Toplayer。這兩種線在條件允許時應(yīng)盡可能粗寬?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第三十一頁，共56頁。第三十一頁，共56頁。PCB布線時的單位有兩種： a.英制，1mil=英吋=×25.4mm=0.025mm b.公制mm，millimeter——助記 最小細(xì)寬達(dá)到8mil0.2mm地線一般采用“C”形布線，不要形成閉合的地線，且地線的引入一般在C的中間，這樣可避免產(chǎn)生電壓差?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第三十二頁，共56頁。第三十二頁，共56頁。晶體振蕩器外殼接地（晶體臥式布置）盡量采用SMD（SurfaceMountDevice）表面貼元器件，以減少引腳電感等不利影響。采用SMT（SurfaceMountTechnology）可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三十三頁，共56頁。第三十三頁，共56頁。6）充分認(rèn)識到元器件在高頻時的特性以及帶來的EMC不利影響。

以下圖重新板書可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三十四頁，共56頁。第三十四頁，共56頁。7）去耦電容問題——

如下圖所示，數(shù)字電路（包括某些模擬電路，A/D，D/A）在輸出狀態(tài)發(fā)生變化時，如“0”→“1”，“1”→“0”都會引起芯片供電流i(t)的變化，這樣變化會引起以下問題。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三十五頁，共56頁。第三十五頁，共56頁。（1）？引起電源的波動——為什么？讓學(xué)生思考并從穩(wěn)壓電流特性上來分析（靜態(tài)動態(tài)）電流波動太大時，會引起其它芯片的誤動作。1)理想的電源特性是什么？可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三十六頁，共56頁。第三十六頁，共56頁。2)實際的呢？？？？？？

用一個齊納管的第三象限曲線說明?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第三十七頁，共56頁。第三十七頁，共56頁。（2）在電源線和地線上產(chǎn)生噪聲，∵導(dǎo)線有電感，變化的i(t)VL=L噪聲對模擬電路引入誤差，對數(shù)字電路產(chǎn)生干擾。 解決的辦法是加上“去耦電容”.VCC——地之間（a）小規(guī)模IC芯片，n片為一組，加上（b）中規(guī)模，或是i(t)較大的IC芯片，一片上就要加上。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三十八頁，共56頁。第三十八頁，共56頁。（c）大規(guī)模IC芯片，有多個“電源——GND”引腳的，在成對的“VCC——GND”之間加上可靠性設(shè)計基本方法——EMC第三十九頁，共56頁。第三十九頁，共56頁?！娙葜刀啻?？何種電容？△I——IC芯片狀態(tài)發(fā)生變化時，電源引腳上電流的變化值，△I01和△I10 顯然△I=max(△I01，△I10)，可查Datasheet，specifications獲得。△t——IC芯片狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的上升沿上升時間tr或下降沿下降時間tfall.(“10%——90%對原點)△V——IC芯片允許的電源電壓值的變化。 何種——瓷片！可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十頁，共56頁。第四十頁，共56頁。▲不想計算時，人們習(xí)慣上每個IC芯片的VCC——GND之間都放一個0.01F的瓷片電容。▲▲更多地是一個大電容1F~10F的鉭電容（鋁電解電容在低成本時也可考慮，但其內(nèi)感太大）和一個小瓷片0.01F電容的并聯(lián)，且電容引腳盡量短。兩電容相差100倍！大電容——低頻擾動“儲能電容”小電容——高頻擾動可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十一頁，共56頁。第四十一頁，共56頁?！齀C芯片外，整板或是板上每組電源的輸出處也裝此電容。 每個電容都存在自諧振問題電容與其高頻電感（內(nèi)部電感）發(fā)生串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振點以下電容為容性，對“高頻”有濾除作用，高于諧振點，電容呈現(xiàn)感性，有大電抗，對“高頻”濾波作用大大下降?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第四十二頁，共56頁。第四十二頁，共56頁。下表列出了帶有6.4mm導(dǎo)線陶瓷電容的自諧振頻率。

C fr(MHz) 1.0F 2.5MHz 0.1F 5.0 0.01F 15 0.001F 50 500pF 70 100pF 150 50pF 230 10pF 50 而同一種電容，若是SMD器件，其fr可高達(dá)普通（上表中）的10倍！

畫29頁圖可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十三頁，共56頁。第四十三頁，共56頁。 單個f2，10×f2以上阻抗就大，無濾波作用， 單個f1，0.1~f1處阻抗就大，無低頻濾波作用 C1//C2從0.1~f3處均為容性，可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十四頁，共56頁。第四十四頁，共56頁。8）集成電路速度與EMI問題。前面討論過，集成電路的功耗pf2

為減小發(fā)熱，↘f，盡可能用低速器件，同樣，為了減少集成電路引起的EMI，也要求條件允許時，盡可能用低速器件。集成電路速度用tr，tf表示。當(dāng)從“0”→“1”時可引起①電源電流變化，→前已討論，加去耦電容。②向空中引起輻射!頻帶會很寬!可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十五頁，共56頁。第四十五頁，共56頁?！?t)來理解:▲傳導(dǎo)干擾隨頻率成正比增加，而輻射干擾則隨頻率平方而增加。 上升沿引起的輻射帶寬BW與上升沿的關(guān)系為：BW=1/tr 實際的輻射頻率范圍可達(dá)到BW的10倍以上。如tr=2ns，BW=159MHz，實際輻射份量在10BW1.6GHz上也可存在！可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十六頁，共56頁。第四十六頁，共56頁。▲各種邏輯器件族單個門的典型特性見《電磁兼容設(shè)計》TN0320P.44表3.1▲▲有GB4588.3——88《印刷電路板設(shè)計和使用》。Ch.6——印刷電路板的布局設(shè)計?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第四十七頁，共56頁。第四十七頁，共56頁。(P31.反頁)板上的三層“圖”——①走線圖②阻焊圖③絲網(wǎng)印刷文字符號圖(層)可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十八頁，共56頁。第四十八頁，共56頁?！餍滦推狡骷陌l(fā)展態(tài)勢——片式阻容元件到1005型更小，片式的IC——I/Opins已達(dá)上百個，pins的中心間距小到0.3mm——0.2mmSMT的DC/DC變換器，采用先進(jìn)的混合集成技術(shù)制作，尺寸只有傳統(tǒng)厚膜集成同類產(chǎn)品的1/3~1/5。片式R網(wǎng)絡(luò)，片式C網(wǎng)絡(luò)，片式RC濾波器，片式晶體振蕩器。可靠性設(shè)計基本方法——EMC第四十九頁，共56頁。第四十九頁，共56頁。9）帶EMI濾波器的連接器。（1）EMI濾波器AC220V電源插頭（座）（前已介紹）（2）饋通濾波器適合于安裝在屏蔽體上，具有很好的高頻濾波效果。本來按屏蔽體連續(xù)性和完整性要求，導(dǎo) 線、電纜是不應(yīng)穿過屏蔽體的，因為有孔縫。但實際情況做不到這點，所以，選用饋通濾波器把接收到的干擾通過濾波器濾除到接地的屏蔽體上，從而避免干擾。（3）濾波器連接器 有扁平電纜用的，有類似于航空插頭插座式的。▲介紹北京那家公司的技術(shù)和產(chǎn)品?？煽啃栽O(shè)計基本方法——EMC第五十頁，共56頁。第五十頁，共56頁。10）鐵氧體EMI抑制元件（1）鐵氧體材料是一種“有耗”器件，正是“有耗”性能使其將電磁干擾吸收后轉(zhuǎn)化為熱損耗，從而起到濾波作用。（2）制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為黑灰色。分子結(jié)構(gòu)為Mo.Fe2O3，其中M