手持通信设备充电开关电源的优化设计

学号毕业设计论文题目手持通信设备充电开关电源的优化设计作者届别院别专业指导教师职称完成时间摘要本文简要分析了手机充电器的基本原理，对现有充电器进行研究并对其存在的问题进行优化主要结合电磁干扰的产生特点及对电路的危害,对共模电流及差模电流进行抑制，构造出一个无Y电容的充电器模型同时对开关电源电路、开关变压器结构进行改进改进对印刷电路板的布线来增强电路板在实际运用中的抗干扰能力结果表明所建立的充电器模型在节能及稳定性等方面要优于传统的手机充电器关键词开关电源；手机充电器；电磁干扰；共模电流；差模电流ABSTRACTTHISPASSAGEMAINLYANALYZESTHEBASICPRINCIPLESOFMOBILEPHONECHARGERITRESEARCHEDTHEEXISTINGCHARGER,ANDFOUNDTHEPROBLEMSANDCORRECTSTHEMCOMBINEDTHEPRODUCTIONOFELECTROMAGNETICINTERFERENCEANDTHEDAMAGEITDOESTOTHECIRCUITTOCONSTRUCTAMODELOFTHECHARGERWITHOUTYCAPACITORTOSUPPRESSTHECOMMONMODECURRENTANDDIFFERENTIALMODECURRENTSTHEOTHERPURPOSEOFTHISDESIGNISIMPROVETHESWITCHINGPOWERSUPPLYCIRCUITANDSWITCHTRANSFORMERATLAST,IHAVEIMPROVEDTHECAPABILITYOFENHANCINGINTERRUPTIONTHROUGHANTIJAMMINGINTHEPRACTICALUSINGCASETHERESULTSHOWSTHATTHEESTABLISHEDCHARGERMODELISOBVIOUSLYSUPERIORTOTHETRADITIONALMOBILEPHONECHARGERINTHEASPECTOFENERGYCONSERVATIONANDSTABILITYKEYWORDSSWITCHINGPOWERMOBILEPHONECHARGERELECTROMAGNETICINTERFERENCECOMMONMODECURRENTDIFFERENTIALMODECURRENTS目录摘要IABSTRACTII目录1绪论111选题背景及意义112国内外对本课题的研究动态1121手机充电器的研究方向1122现有充电器存在的问题113本论文主要完成的工作22手机充电器的基本原理321手机电池的选择及充电要求3211锂离子电池的特点3212锂离子电池充电电路要求322充电控制芯片423充电电路的设计6231电源部分电路原理6232基于BQ2057充电芯片的工作电路63基于RCC电路的开关变压器的优化设计831RCC电路工作原理8311电路的启动8312开关晶体管处于ON状态9313开关晶体管处于OFF状态932输出电压稳定的设计933变压器的设计方法10331初级绕组的求法11332其他线圈的求法1134开关晶体管的恒流驱动设计1235RCC电路的控制电路设计及参数设定14351电压控制电路的设计14352驱动电路的设计14353次级电容、二极管的选定14354其他参数的选定154EMI及无Y电容的优化设计1641EMI常识1642减小寄生的电感和电容值1643传导干扰1744差模电流的产生及抑制1745共模电流的产生及抑制1846改进后的电路原理图195PCB布线中的抗干扰设计2151一般导线及焊盘布线2152电源线及地线设计216结论23参考文献24致谢251绪论手持通信设备（手机）日益普及，它已成为我们日常生活生产中不可或缺的工具，手机充电器市场的前景被业界广泛看好。锂离子电池各方面的优越性使其成为手机电池的首选。理想的充电器必须检测锂离子电池所有可能的故障模式，并有针对性地进行充电。在充电过程如果锂离子电池的温度超出设定的温度范围，则继续给它充电是不安全的。目前，所有充电器必须具有跟踪锂离子电池电压的变化、跟踪充电电流的变化和跟踪充电过程中锂离子电池温度的变化的功能。而在提高充电器效率和延长锂离子电池使用寿命的同时，不能忽略潜在的安全问题，这使得需要更智能化的锂离子电池充电器。11选题背景及意义目前，中国拥有超过6亿的手机用户市场，而且这个数字正在急剧增加。手机充电器不通用，不仅给手机用户带来使用上的不便，也增加消费成本；特别是手机逐渐成为时尚产品，更新速度不断加快，这一问题更加突出，浪费了社会资源，威胁着生存环境。同时，随着节能环保的社会发展趋势，手机充电器的待机耗电量也将成为研究的重点内容。如果每个充电器每年节省一度电，这将是一个非常可观的数字。12国内外对本课题的研究动态121手机充电器的研究方向随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。标准型充电器，是指可以连接所有手机底端电源插座（端口）的充电器。而且，生产的手机的电源端口将统一为适用于标准充电器的规格。这样，消费者将不必在每次换手机时同时购买新的充电器。手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。相比于以前的充电器，今后生产的产品将会在各项功能完善的同时进一步降低本身的待机耗电量。122现有充电器存在的问题目前，市场上手机充电器种类繁多，但其中也有很多质量低劣的不合格产品。在去年产品质量国家监督抽查结果中，将近40的厂家生产的充电器不合格。其主要问题出现在与交流电网电源的连接，电源端子骚扰电压，辐射骚扰场强和充电电压几个方面。另外，一些产品的低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性能等方面存在质量问题。由于现在的手机电池多采用锂离子电池，对充电器的电压、电流特性及安全保护有很高的要求。一些充电器由于设计简单，采用劣质材料，加工手段粗糙，对手机电池的性能和寿命有很大损害。这些质量问题会影响到手机的正常使用及使用寿命，严重时还可能伤害消费者。13本论文主要完成的工作通过对各类手机充电器基本原理进行研究，结合锂离子电池充电特性，分析出各自特点并找出问题，并对所存在的问题进行改进。通过构建整个充电系统的结构框架，确定这个系统的硬件结构图，对整个设计进行优化并确定系统各原件的详尽参数和型号。主要基于电路中电磁干扰的产生特点进行分析，对电路结构及开关变压器结构进行优化，减小电磁干扰的产生，同时在工程制作中对印刷电路板布线进行改进优化。最终使充电器在性能等方面有所进步。2手机充电器的基本原理手机充电器其实都是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成10。21手机电池的选择及充电要求211锂离子电池的特性二次电池能够反复使用，符合经济原则，这是其最大优点，自然人们最青睐二次电池。锂离子电池是继镍氢电池后发展的新一代二次电池。它以其高的比能量，为镍氢电池的15倍和铅酸电池的3倍，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，无记忆效应和不污染环境等特点，已成为手机电池的首选。表21为铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池特性的比较。表21铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池特性的比较电池类型工作电压（V）质量比能量（WH/KG）体积比能量（WH/L）循环次数记忆效应自放电率（/月）铅酸20400600无3镍镉1250150400500有25镍氢126080240300500无20锂离子361201403001000无10212锂离子电池充电电路要求锂离子电池在充电过程中，电池的电压和电流都会随充电时间而变化。当电池电压小于25V时，则用小电流（约1/10C的电流）充电；当电池电压大于25V且小于42V时，则以恒流充电方式充电，电池电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近42V时，恒流充电结束；接着以42V恒压充电，在恒压充电时，电压几乎不变，充电电流不断下降，当充电电流降到1/10C时，表示电池以充满，终止充电11。为了满足锂离子电池的充电要求，性能良好的锂离子电池充电器由下述几部分组成1电源电路包括恒流源（其精度一般为5左右）及恒压源（其精度一般为075）2电流限制电路（可外设一个电流检测电阻来设定电流限制值）3电池电压检测电路4电池温度检测电路5充电器指示电路（一般用LED来指示）6安全定时器电路7基准电压源（高精度）、多个电压比较器及逻辑控制电路、关闭控制路等。22充电控制芯片充电控制芯片是特为化学电池设计的理想产品，它们使电池的三项关键指标达到最大容量、寿命和安全性。BQ2057是美国TL公司生产的先进的锂离子电池充电芯片，可满足单节41V或42V锂离子电池和聚合物锂离子电池的充电需要，同时根据不同的应用场合提供了MSOP、TSSOP和SOIC等封装形式供选择。利用BQ2057设计的充电器外围电路简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性1。针对手机充电器的需求及BQ2057充电芯片的特性，本课题选择BQ2057芯片。BQ2057的引脚功能描述如下VCC引脚1工作电源输入；TS引脚2温度感测输入，用于检测电池组的温度；STAT引脚3充电状态输出，包括充电中、充电完成和温度故障三个状态；VSS引脚4工作电源地输入；CC引脚5充电控制输出；COMP引脚6充电速率补偿输入；SNS引脚7充电电流感测输入；BAT引脚8锂电池电压输入；BQ2057芯片的充电流程图及典型充电特性曲线如图21和图22。开始恒压充电LED高电平充电完成LED低电平温度故障LED高阻态预充状态LED高电平睡眠模式LED高阻态恒流充电LED高电平温度检测正确VCCVBATVBATVRCHVBATIREG/10VBATVMINYESNONONONONOYESYESYESYES图21BQ2057充电流程图预充状态恒压充电恒流充电IREGVREGIPREVMINX轴Y轴图22BQ2057典型充电特性曲线BQ2057芯片在充电时，主要有以下几个阶段。一、预充阶段，BQ2057首先检查工作电压VCC，当工作电压过低时充电器进入睡眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在设定范围，若不正常则进入温度故障模式，否则检测电池电压VBAT，当电池电压VBAT低于低压门限VMIN时，BQ2057以恒流IREG10的电流IPRE对电池预充电。二、恒流充电，在完成对电池预充或电池电压VBAT低于恒压VREG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻RSNS上的压降监控充电电流，该电阻可采取高/低边的连接方式，在高边电流检测中RSNS接在VCC和SNS引脚间，在低边电流检测中RSNS接在VSS和SNS引脚间，如图24所示，通过SNS引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由公式（1）计算，其中IREG为预期的充电电流，VSNS可在BQ2057的电特性表中查得。21SNIVR三、恒压充电，当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态。在整个工作温度和工作电压范围内，恒压精度高于1，BQ2057通过VBAT和VSS引脚监测电池组电压，当电流达到终止门限ITERM时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压VRCH时自动开始重新充电。BQ2057除了能实现标准的41V、42V、82V和84V电压充电外，还可以通过分压实现对非标准电压充电，其方法是用分压电阻实现电池分压值作为BAT引脚的输入。四、电池温度监测，BQ2057通过测量TS与VSS引脚间的电压实现对电池组温度的连续监测，常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现。分压电阻的阻值可根据参数计算。BQ2057将该电压与内部的VTS1和VTS2门限电压比较以决定是否允许充电。由于外部分压及内部门限电压均以VCC为参考，保证了温度检测电路不受工作电源VCC的波动影响。当把TS引脚连到VCC或VSS时，可以禁止BQ2057的充电功能。五、充电状态指示，BQ2057通过三态引脚STAT报告当前的充电状态充电状态高电平、充电完成低电平、温度故障或睡眠状态高阻态。当将STAT引脚与单LED或双LED反接方式连接时，可实现充电状态的LED指示，也可以将STAT口与仪器微控制器接口，微控制器通过识别STAT口的三种状态实现仪器的智能管理。23充电电路的设计231电源部分电路原理220V交流市电经滤波器滤波后，为开关电源提供高压脉动直流电。开关变压器次级产生的高频交流电压经半波整流及滤波后产生5V的直流电压，为充电芯片提供充电电源和工作电源9。电压变化流程如图23所示。整流电路滤波电路RCC电路整流电路滤波电路充电芯片电池220VAC图23电压变换流程图232基于BQ2057充电芯片的工作电路利用BQ2057设计的充电器的外围电路简单，可广泛应用于目前的采用锂离子电池供电的便携式电子设备的电源管理系统，对于便携式电子产品的紧凑设计很有意义2。采用BQ2057设计的锂离子电池充电电路可实现对锂离子电池的充电，充电器的工作电源DC根据充电锂离子电池的电压选择推荐工作电压为5V，锂离子电池的正端电压PACK接BAT脚，检测锂离子电池的热敏电阻NTC通过分压电阻后的分压值输入至TS脚，以此判断锂离子电池温度是否正常。采用BQ2057充电控制芯片的充电电路如图24所示。BQ2057CCCOMPSNSBATVCCTSVSSSTAT锂离子电池TEMPPACKPACKC1TV1FZT788B01UFVCCR22KVD1R102RSNSC2DCGNDNTCRT2RT101UF1K图24充电控制芯片的充电电路图3基于RCC电路的开关变压器的优化设计反激式自激变换器就是我们通常所指的RCC（RINGINGCHOKECONVERTER）电路2，变压器（储能电感）的工作模式处于临界连续状态，可以方便的实现电流型控制，在结构上是单极点系统，容易得到快速稳定的响应，广泛应用于50W以下的开关电源中。RCC电流的优势也比较突出。首先是电路结构简单，只需要少数分离原件就可以得到需专用芯片才能实现的电压输出性能，通过良好的设计就可以获得高效和可靠的工作。其次，许多与驱动有关的困难（驱动波形、变压器饱和等）在自激变换器中得到很好的解决。而且，由于总是工作于完全能量传递模式，副边整流二极管正向导通电流到零，反向恢复电流和损耗很小，产生的振铃相对于不完全能量传递模式也要小很多，因此输出的高频杂音也要小很多。另外，原边主管开通始终是零电流，因此效率较高。31RCC电路工作原理D3I1D2RGIGICTR1D4VSNPVCC2DZNBC3VFVF2VZC1图31RCC工作基本原理图图31给出实际应用最多的RCC方式的基本电路图。下面说明实际应用中RCC电路的工作过程5。311电路的启动接通输入电源后，电流通过电阻流向开关晶体管的基极，导通，INVGIGR1RT1R称为起动电流。在RCC方式中，晶体管的集电极必然由零开始逐渐增加。因此GI1RTIC应尽量小一点。此时变压器的次级绕组处于短路状态，从输入一侧看来，电流全SN部流进线圈，电阻称为起动电阻。PNGR312开关晶体管处于ON状态一旦进入ON状态，输入电压将加在变压器的初级绕组上。由在数比可知，1TRINVPN基极线圈上产生的电压为BBN31INPB/该电压与导通极性相同，因此将维持的导通状态，此时基极电流1R1TRBI是连续的稳定电流。设晶体管的基极发射极间的电压,二极管的正向电1TR1BEV2D压为,的集电极电流为一次单调增函数，经过某一断时间后达到，集电2FV1TCIONTCI极电流与直流电流放大倍数之间将呈现如下关系FEH32/CBI即在上述公式成立的条件下才能维持ON状态。在基极电流不足的区域，集电1TR极电压由饱和区域向不饱和区域的转移。于是，线圈的电压下降，导致线圈的PNBN感应电压也随之降低，基极电流进一步减小。因此的基极电流不足状态不断加深，BI1TR迅速转至OFF状态。1TR313开关晶体管处于OFF状态如果晶体管处于OFF状态，变压器各个绕组将产生反向电动势，次级绕组使导4D通，电流流过负载，经过某一时间后，变压器能量释放完毕，电流变为0但是，2IOFT2I此时绕组上还有极少量残留的能量，这部分能量再一次返回，使基极绕组产生SNBN电压，再次ON，晶体管继续重复前面的开关动作。1TR32输出电压稳定的设计RCC方式的稳压器是通过反向电动势使次级的二极管导通向负载提供功率的。因此，单位时间内变压器存储的能量与输出功率相等，设变压器初级电感为,有PL33OONINPIVFTL21因此，欲使输出电压稳定，频率最好随晶体管的ON时间变化而变化。图3OVF2所示，要使晶体管OFF，对于集电极电流而言，只要基极电流不足即可，既然如此，那么只要阻止来自变压器的驱动电流流过的基极，让它从旁路流过即可。这就是B1TR连接稳压二极管的目的。IBIDTR1IZDZVCC2D2D3NB图32RCC方式稳压原理图的阳极与电容器的阴极相连。在OFF期间，线圈通过导通的为ZD2C1TRBN3D充电，的电压变为负电压，的电压为2C22CV34ZBE于是齐纳二极管导通，驱动电流从它所形成的旁路流过，进而使OFF。经Z1TR过一段时间后，由于输出电压上升，那么图11中的端电压也随输出电压成正2CVOV比上升。即在的OFF期间内，变压器存储的能量向负载释放，即使存在负电源，1TR的充电电流和次级电流也会同时流动。此间线圈和线圈的电压值分别32DCSIBNS与匝数比成正比,即3543BCOFSNVV式中、分别为、的正向电压降。反之也可改变使随之改变。3FV43D4COV假设的端电压上升，那么与阴极相连的齐纳二极管导通，于是的流过旁路CZD1TRBI，基极中没有电流。因此，此时OFF。从电压之间的关系来分析，的齐纳电ZD1TRZD压为36BECZV因此由与即可确定输出电压。即输出电压为ZV/SBNO3743FBZSONV若忽略、和，则与成正比，且输出电压的精度由电压的精度BE4F3ZV确定。33变压器的设计方法开关稳压器中，变压器的设计是要点之一，它的所有动作与特性几乎都取决于变压器的设计。特别是对于RCC电路，甚至连振荡频率都是由变压器决定的。331初级绕组的求法首先，求初级绕组的匝数。在RCC方式中，因为磁通在磁芯BH曲线的上下半区都有变化，因此匝数的计算公式如下38FBAVNEIP2108式中为线圈的外加电压；为磁芯的磁通密度；为磁芯的有效截面INVPEA积。磁芯通常采用铁氧体材料，但是其最大磁通密度受温度影响而发生变化。因M此，必须根据实际工作条件，从特征表中求得。B下面计算电感值，并按最低输入电压的占空比D来计算。如图33所示，为三1I角波，设功率装换效率为、输出功率为、输入电压最小值为初级电流的平均OPMININV值为，则初级电流的最大值为1AVEI39MIN12INOAVEPIX轴Y轴I1PI1AVETONTOFFI1AVEDI1P/2图33变压器中线圈的电流波形PN1I求得初级绕组所必须电感为PL310ONOINONITDVI2MI1M332其他线圈的求法次级电流的峰值与输出电流的关系为2PIOI311DIIOP12那么次级绕组的电感为SL312OFSOFPSTIVTI22313PONINOOFFPSTDNL2MI01式中NS为次级绕组匝数，为次级整流二极管的正向压降。F然后来求基极绕组的匝数由的条件有BR1TEBV314SF0MAX由上述格式确定绕组匝数，但由于输出侧存在导线电压降，因此，实际上个绕组的匝数应该比计算结果稍多一些8。34开关晶体管的恒流驱动设计在RCC方式中，提供开关晶体管基极电流的驱动电路的损耗是非常大的。即使在最低输入电压条件下，驱动电流的大小也必须足以驱动开关晶体管处于ON状态。BIR1T同时变压器绕组的电压的增加与输入电压成正比，上升，驱动电流也BNVINVINBI随之上升，而基极电阻损耗的增加与的平方成正比。另一方面，驱动电流增加，R必然会使稳压电路之路的电流增加。有时会引起间歇振荡。因而将引起变压器等产生异常的噪音。如果能找到一种恒流驱动方式，即虽然输入电压发生变化，但驱动电流不改INV变，那么上述问题就会迎刃而解5，而且这里对具有恒流特性的精度要求并不高，采用图34所示的电路就足够了。TR1RB800DZ1IBC1IZDZ2C100047UTR2D3D1D2NBVEVFR1000图34基极恒流驱动该电路即便在输入电压发生变化，流过的电流也是恒定的。这样不仅尅INBRBI大幅度减小的损耗，而且可以防止间歇振荡。从而提高电路的输入范围，提高电路BR带载能力。如上图所示，一旦输入电压大于稳压二极管的击穿电压，那么晶体管的基极2RT电压就会被钳制在（），从而流过晶体管基极电流就会被固定6。当输入电ZFV1RT压最低时仍能保证能被击穿，即输入电压为150V时能击穿，故有2D315FZINPBZV2MIN2从而可以求得316VFINPBZ947021573MIN实际取47V，与稳压二极管串联的电阻取为100。ZV改进后的RCC电路，输入可在AC150250V之间变化，且不会出现间歇振荡现象。从电路波形图可以看出，即使输入为AC250V，控制电路中晶体管的基极电压1RT最大也只有475V，而如果没有加入恒流源，则晶体管基极驱动电压最大可以达到1RT3173MAX2507BINPVV（MAX）因此加入恒流驱动后可以有效的降低了基极驱动电路，从而当晶体管截止时1RT从稳压二极管流过的电流将会大幅地降低，因此抑制消除了间歇振荡现象。采用该方法后，即使输入电压在AC100200V间连续变化，电路也能正常工作。但实际上，即使采用上述方法，当输入近似为空载状态，仍会引起间歇振荡。此时，如图35所示，应该在直流输出端连接一个泄放电阻，不过此时的功率全部为无用功率7，因此应该把电流值调整到刚刚不引起间歇振荡的大小。R1泄放电阻无用电流让负载电流与输出端输出相等，以消耗无用功率图35泄放电阻的效果35RCC电路的控制电路设计及参数设定351电压控制电路的设计首先，当处于OFF时，线圈的电压为1TRBNBV318VS3475作为电压控制用的齐纳二极管两端的电压为ZDZ319VFBEZ0由于变压器本身也有压降，因此实际应用的电压值稍高一些的二极管。352驱动电路设计由变为时，因变压器漏感磁通影响，而由一次侧自二次则传输的能1RVONTOF量产生9。近似利用公式为3202115RVN求得为50V。是由一次电路的电感成分所生成的浪涌电压。故集电极电1RV1S1RT压最高值为CEV3212157032540RSINMAXV因此本例中采用高速、高压开关电流用晶体管SMBTA06。设时，考虑067CIA一定的余裕，取10，必须的基极电流约为674MA。于是基极电阻为FEHBIBR32231507266BEFVRI353次级电容、二极管的选定二极管关断时反向电压值为FDDRV32325190725211NODR输出电容选择电容器内所导通的纹波电流3其有效值为OCCCOII32421223OFOPONRMSCOTIITI当输入电压为最低而输出电流最大时，文波电流最大。此时纹波电流为3251222041036043CORMSIA354其他参数的选定初级绕组的RC缓冲电路中，根据经验取R20K，而RC放电常数应该小于关RCT断时间的十分之一。因此有32610621RCOFTU则求得电容C为32763201RCPF起动电阻的选择与起动电流有关，而起动电流最低有025MA就足够了。因GI此起动电阻为GR32815062INMGVRKIMA基极电阻与变压器线圈之间连接的电容器的目的是加速的基极电流，BB1C1RT改善电流的起动特性。该电路中，采用00047U的薄膜电容器。4EMI及无Y电容的优化设计在开关电源中，功率器件高频导通/关断的操作导致的电流和电压的快速变化而产生较高的电压及电流尖峰是产生EMI的主要原因。加缓冲吸收电路有利于降低EMI，但会产生过多的功耗，增加元件数量、PCB尺寸及系统成本。通常情况下，系统前端要加滤除器和Y电容6，Y电容的存在会使输入和输出线间产生漏电流，具有Y电容的金属壳手机充电器会让使用者有触电的危险，因此，一些手机制造商开始采用无Y电容的充电器，然而，去除Y电容会给EMI的设计带来困难，下面将介绍无Y电容的充电器变压器补偿设计方法。41EMI常识在开关电源中，功率器件高频开通关断的操作导致电流和电压的快速的变化是产生EMI的主要原因。在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较高的电压尖峰41DTILUL在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较高的电流尖峰42DTUCICC磁场和电场的噪声与变化的电压和电流及耦合通道如寄生的电感和电容直接相关。直观的理解，减小电压变化率和电流变化率及减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的噪声，从而减小EMI干扰。减小电压变化率和电流变化率可以通过以下的方法来实现改变栅极的电阻值和增加缓冲吸引电路，增加栅极的电阻值可以降低开通时功率器件的电压变化率14。42减小寄生的电感和电容值开关器件是噪声源之一，其内部引线的杂散电感及寄生电容也是噪声耦合的通道，但是由于这些参数是器件固有的特性，电子设计和应用工程师无法对它们进行优化。变压器是另外一个噪声源，而初级次级的漏感及初级的层间电容、次级的层间电容、初级和次级之间的耦合电容则是噪声的通道。初级或次级的层间电容可以通过减小绕组的层数来降低，增大变压器骨架窗口的宽度可在减小绕组的层数。分离的绕组如初级采用三明治绕法可以减小初级的漏感，但由于增大了初级和次级的接触面积，因而增大了初级和次级的耦合电容。采用铜皮的FARADAY屏蔽可减小初级与次级间的耦合电容。FARADAY屏蔽层绕在初级与次级之间，并且要接到初级或次级的静点如初级地和次级地。FARADAY屏蔽层使初级和次级的耦合系数降低，从而增加了漏感。43传导干扰传导干扰指在输入和输出线上流过的干扰噪声，传导干扰来源于差模电流噪声和共模电流噪声，这两种类型的噪声干扰见图41所示。Y电容直接和传导干扰相关。EUTLNEUTLNRECEIVERRECEIVERDMDMCMCM图41差模电流和共模电流差模电流（DM）在两根输入电源线间反方向流动，两者相互构成电流回路，即一根作为差模电流的源线，一根作为差模电流的回线。共模电流CM在两根输入电源线上同方向流动，它们分别与大地构成电流回路，即同时作为共模电流的源线或回线15。44差模电流的产生及抑制差模电流噪声主要由功率开关器件的高频开关电流产生。一、在功率器件开通瞬间存在电流的尖峰，开通电流尖峰不能通过输入滤波的直流电解电容旁路，因为输入滤波的直流电解电容有等效的串联电感ESL和电阻ESR，这样就产生的差模电流在电源的两根输入线间流动。二、在功率器件关断瞬间，MOSFET漏源极电容的充电，变压器初级绕组的层间电容放电，这两部分电流也会形成差模电流。同样，基于电压的变化方向，初级绕组层间电容中的电流流动方向向上，累积形成的差模电流值大。三、功率开关工作于开关状态，开关电流（开关频率）的高次谐波也会因为输入滤波的直流电解电容的ESL和ESR形成差模电流。差模电流可以通过差模滤波器滤除，差模滤波器为由电感和电容组成的二阶低通滤波器。从PCB设计而言，尽量减小高的DI/DT的环路并采用宽的布线有利于减小差模干扰。由于滤波器的电感有杂散的电容，对于高频的干扰噪声可以由杂散电容旁路，使滤波器不能起到有效的作用。用几个电解电容并联可以减小ESL和ESR，在小功率的充电器中由于成本的压力不会用X电容，因此在交流整流后要加一级LC滤波器。45共模电流的产生及抑制共模电流在输入及输出线与大地间流动，其产生主要是功率器件高频工作时产生的电压的瞬态的变化。共模电流的产生原因有很多，初级绕组和次级绕组间的电容（CS）及磁芯和大地间的电容（CME）产生的共模电流占主导作用。减小漏极电压的变化幅值及变化率可减小共模电流，如降低反射电压，加大漏源极电容，但这样会使MOSFET承受大的电流应力，其温度将增加，同时加大漏源极电容产生更大的磁场发射。VCCCINVINCDECMCSCACTIY2CMEY2COE图42Y电容作用如果系统加了Y电容，由图42所示,通过CS的大部分的共模电流被Y电容旁路，返回到初级的地，因为Y电容的值大于输出线到大地间的电容（COE）。Y电容必须直接并用尽量短的直线连接到初级和次级的冷点。作为一个规则，如果开通时的DV/DT大于关断时的值，Y电容连接到初级的地。反之连接到VIN。去除Y电容无法有效的旁路共模电流，导致共模电流噪声过大，无法通过测试标准，设计的方法是改进变压器的结构。一般的屏蔽方法不能使设备在无Y电容的情况下通过EMI的测试。由于三极管极端的电压变化幅值大，主要针对这个部位进行设计。前面提到CM和CME及CME和CA也会产生共模电流，初级层间电容的电流一部分形成差模电流，有一部分也会形成共模电流，这也表明差模和共模电流可以相互的转换。在没有Y电容时，基于电压改变的方向可以得到初级绕组与次级绕组及辅助绕组和次级绕组层间电容的电流的流动方向，初级绕组和辅助绕组的电流都流入次级绕组中。调整冷点后，初级绕组与次级绕组及辅助绕组和次级绕组层间电容的电流的流动方向相同，可以相互抵消一部分流入次级绕组的共模电流，从而减小总体的共模电流大小。辅助绕组和次级绕组的整流二极管放置在下端，从而改变电压变化的方向，同时注意冷点要尽量的靠近，这样因为两者间没有电压的变化，所以不会产生共模电流。如果在内层及初级绕组和次级绕组间放置铜皮，铜皮的宽度小于或等于初级绕组的宽度，铜皮的中点由导线引线到冷点，如图43所示，由于铜皮为冷点，与其接触的绕组和铜皮间电压的摆率降低，从而减小共模电流，同时将共模电流由铜皮旁路引入到冷点。注意铜皮的搭接处不能短路，用绝缘胶带隔开，内外层铜皮的方向要一致。CMECAVINCMCCMECAACTNAUNSCCSNPCPC1COPPER1CPC2COPPER2图43铜皮的补偿辅助绕组和次级绕组的共模电流可以由以下方法补偿一、加辅助屏蔽绕组，辅助屏蔽绕组绕制方向与次级绕组绕制方向保持一致，辅助屏蔽绕组与次级绕组的同名端连接到一起并连接到冷点，辅助屏蔽绕组的另一端浮空。由于它们的电压变化的方向相同，所以两者间没有电流流动。二、加外层的辅助屏蔽铜皮，辅助屏蔽铜皮的中点连接到到辅助绕组的中点。同样，基于电压的变化方向分析电流的流动方向，可以看到，两者之间的电流形成环流，相互补偿抵消，从而降低共模电流。46改进后的电路原理图通过对手机充电器电路的开关电源及电磁干扰等方面的优化，使其在抗干扰及对电池的保护方面有了一定改进。图44为改进后的电路原理图。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19MAY2010SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR件件件件件件件件件件件件件件件件件1DDBDRAWNBYC147PD2FR107C2104D543VD4IN414522U/50VC3103D3FR202C6102C7220UDCRSNS02R1IKC101UFR22KRT1RT2C101UFTV1FZT788BCAPSEMICCSNSVCCVSSCOMPBATTSSTATBQ2057VDL139MHR722022M22M22M50KR11240R627KR1265KR14750R1412Q2901413003R956KOUTOUTVCCPEAKPEAKTEMPGND件件件件件D1IN4007R1ACINTACINT图44电路原理图5PCB布线中的抗干扰设计随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高，电子系统的工作频率也越来越高。当我们使用PROTEL软件制板时，尽管制定了相关的涉及规则及约束条件，在进行自动布局和自动布线时，仍然出现印刷电路板设计不当，并对系统的可靠性产生不良影响。因此，要使电子系统获得最佳性能，在使用PROTEL软件制板时，必须采用手动和自动相结合的方法。51一般导线及焊盘布线印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为05MM、宽度为1MM15MM时，通过2A的电流,温升不会高于3。因此，导线宽度为15MM可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选002MM03MM导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小于01MM02MM。印刷导线拐弯处一般取圆弧,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。焊盘中心也要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于D12MM，D为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取D10MM。52电源线及地线设计根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。在小信号电路与大电流电路做在一起的电路中，必须将GND明显地区分开来。布线方法为将小信号GND与大电流的GND进行分离，通常使用两根引线的GND。使大电流不在布线电阻上流动，从而不产生干扰，如像功率放大级和负载那样，将大电流流动的部分由电源直接进行布线。还有，将小信号部分进行汇总，也直接由电源进行布线。如果这样做，小信号线与大电流线完全分离，再将汇总的小信号GND与功率放大级的GND相连接。当电路简单时，可将电源所供给的电路汇总成一个。但是当电路变得复杂时，就要分成几个基板模块，电源的数目仍为1个。就其布线方法来看，若各基板电源及地线拥有公共布线电阻，任何一个基板上的电流发生变动，都影响到其他的基板。与此相反，若将其各个基板电源GND的布线分别由电源引出。这样，各自都有布线电阻，即使因电流变化而产生电压降，它仅停留在该基板上，而不会对其他基板产生影响。正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHZ，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHZ时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHZ10MHZ时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地