（光学工程专业论文）高性能红外热像仪电源研究.pdf

硕上论文高性能红外热像仪i 乜源研究 摘要 中波凝视型制冷热成像系统具有分辨率高，重量轻，输入电压低，帧率高等优点， 对国防建设和国民生活均有着非常重要的意义。近几年国内在中波凝视型红外热像仪的 研究上投入了很多资金，希望能够有所突破，赶上西方国家，达到世界水平。本文根据 中波凝视型红外探测器的需要，设计并研制了低噪声、高性能的系统电源，取得了比较 好的效果。 论文首先简单回顾了红外热成像技术的现状和发展状况，分析了中波凝视型红外热 成像系统的优点、应用场合。在此基础上介绍了电磁兼容性基本原理以及电源完整性的 问题，在理论上对电源噪声的关键问题同步开关噪声进行了分析，以电源完整性和 电源应用技术的选取为着眼点，得出热成像系统中电源设计的理论依据。然后，本文以 高性能、低噪声设计为出发点，设计并研制了中波凝视型红外热像仪的系统电源，为f j i 端模拟电路和后端图像处理电路提供了多路稳定的低噪声恒流源和数字电源，并就系统 电源的p c b 设计问题进行了讨论，并最终得到了低噪声的测试结果。 最后，对红外热像仪电源系统的研究工作做了总结，指出了不足之处，希望能对今 后的研究提供参考。 关键字：中波红外，热成像系统，电源完整性，电源系统噪声 a b s t r a c t 硕l 论文 a b s t r a c t t h em w i r c m o sm u l t i m o d ei n t e g r a t e dd e t e c t o rd e w a rc o o l e ra s s e m b l yi m a g i n g s y s t e mh a sh i g hp e r f o r m a n c ew i t hh i g hr e s o l u t i o n ，h i g hf r a m er a t ea n dl i g h t w e i g h t i tp l a y s i m p o r t a n tr o l e si nm i l i t a r ya n dc i v i l i a na f f a i r s i no r d e rt o h a v eab r e a k t h r o u g hi nt h e i n f r a r e di m a g i n gs y s t e ma n dc a t c hu pw i t ht h ew e s t e mc o u n t r i e s ，t h ec h i n e s er e s e a r c h e r sh a s i n c r e a s e di n v e s t m e n ti nt h em wf o c a lp l a n ea r r a yt h e r m a li m a g i n gs y s t e mi nt h ep a s tf e w y e a r s i nt h i sp a p e r ，t h ep o w e rc i r c u i tw i t hl o w e rn o i s ea n db e t t e rq u a l i t ya r ed e s i g n e db a s e d o nb a s i cs y s t e mt h e o r ya n a l y s i sa n dp o w e r i n t e g r i t ya n a l y s i s ，a n do b t a i n e dw e l la c h i e v e m e n t f i r s t l yt h ed e v e l o p m e n t a lh i s t o r yo fi n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e mi sl o o k e db a c k b r i e f l yi nt h ep a p e r a n di ta l s od i s c u s s e st h ea d v a n t a g eu s i n gp l a c ea n dt h eg e n e r a lt r e n d so f m w i r c m o s i m a g i n gs y s t e m s t h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n dp o w e r i n t e g r i t ya n a l y s i sa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h ep a p e r d e p e n d i n go nt h ea n a l y s i so f s i m u l t a n e o u s s w i t c h i n gn o i s e ( s s n ) ，t h ek e yi s s u e so fp o w e rn o i s e ，a n dp o w e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w e c o u l dg a i nt h et h e o r e t i c a lb a s i so fp o w e rd e s i g n t h e n ，f o rt h ep u r p o s eo fh i g hp e r f o r m a n c e a n dl o wn o i s ep o w e rd e s i g n ，t h ep o w e r s y s t e mo fm w i r c o m si m a g i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ， w h i c hi sa b l et os t a b l ys u p p l yf o rf r o n ta n da n a l o gc i r c u i ta n db a c ke n dd i g i t a li m a g i n g p r o c e s s i n gc i r c u i t s f i n a l l y ，as u m m a r yi sg i v e na b o u tt h ed e s i g no ft h ep o w e rc i r c u i to ft h ei n f r a r e dc o o l e d f o c a lp l a n ea r r a yt h e r m a li m a g i n gs y s t e m i na d d i t i o n ，t h ei n s u f f i c i e n c yi sp r e s e n t e d ，a l lo f t h e s ei st h eb a s eo ft h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho no ft h i st o p i c k e yw o r d s ：m w i r ，t h e r m a li m a g i n gs y s t e m ，p o w e ri n t e g r i t y , t h en o i s eo fp o w e rs y s t e m 硕一l ：论文 高性能红外热像仪电源研究 图表目录 图2 1 电磁兼容包含的基本内容7 图2 2 电磁干扰模型7 图2 3 共模干扰与差模干扰9 图2 4 同步开关噪声的分析模型1 2 图2 5 驱动器3 由高电平到低电平转换时的电流路径1 3 图2 6 系统电源带旁路电容情况下，驱动器3 由高电平到低电平转换时的电流路径1 4 图2 7 驱动器1 由高电平到低电平转换时的电流路径1 4 图2 8 芯片内部使用旁路电容隋况下，驱动器1 从高电平到低电平转换时的电流路径1 5 图2 9v r m 的等效电路图1 6 图2 1 0 串联反馈调整型稳压电源框图1 7 图2 1 l 线性稳压器原理图2 0 图2 1 2 开关电源工作原理。2 2 图2 1 3 开关电源的基本构成2 2 图2 1 4b u c k 变换器电路2 3 图2 15b o o s t 变换器电路2 4 图2 1 6b u c k b o o s t 变换器电路一2 5 图3 1 总体原理框图2 8 图3 2 电源板设计规格图2 9 表3 1 电池技术资料2 9 图3 3l t c 4 4 1 2 理想二极管控制器与肖特基二极管的特性曲线3 0 图3 4 电源切换原理图3 1 表3 2 芯片资料3 2 图3 5 主处理板5 v 供电原理图3 3 图3 6 接口板5 v 供电原理图3 3 图3 7 模拟处理板5 v 供电原理图3 3 图3 8 模拟处理板1 2 v 供电原理图3 4 图3 9 接口板6 v 供电原理图3 4 图3 1o 接口板3 3 v 供电原理图3 4 图3 1 l 模拟处理板7 v 供电原理图3 5 图3 1 2 制冷电机1 2 v 供电原理图3 5 表3 3 引脚功能3 6 v 图表日录硕i ：论文 v i 图3 1 3 监测电路原理图3 7 表3 4 电压值寄存器3 8 图3 1 4r a i l 寄存器3 8 图3 1 5 分压原理图3 9 图3 16e r r o r 寄存器3 9 图3 17s t a t u s 寄存器4 0 图3 18r a i l s t a t u s 寄存器4 0 图3 1 9 接口电路4 l 图3 2 0 系统电源最终p c b 图4 3 图3 2 1 最终实物图4 4 图4 1 系统5 v 供电的电压波形4 5 图4 21 2 v 和3 3 v 供电电压波形4 6 图4 36 v 和7 v 供电电压波形4 6 图4 4u c d 9 0 8 0 芯片数据格式。4 7 表4 1 配置参数表4 7 表4 2 地址配置表4 9 表4 3 上限电压配置表5l 表4 4 上线电压值配置表5l 表4 54 s 以内电压恢复正常配置表5 l 表4 6 电压正常波动配置表5 2 表4 7 上电顺序配置表5 2 表4 8 使能有效配置表5 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 商性能红外热像仪i 乜源研究 1 绪论 1 1 引言 把红外辐射变成人眼可见的图像，一直是人们关心的问题。早在1 9 世纪就有人设 计了两种红外热成像系统。到第二次世界大战，b a r n e s 公司设计了一种用于探测空中目 标的测热辐射计扫描成像系统，虽然性能远未达到要求，但它成为后来热成像发展的重 要思路。军事应用一直是红外技术发展的主要动力，人们早就意识到热成像在军事上应 用的潜力很大。1 8 3 0 年，l 诺比利利用当时新发现的温差电效应，制成了一种以半金属 铋和锑为温差电偶的热敏型探测器，称作温差电型红外探测器。其后，又从单个温差电 偶发展成多个电偶串联的温差电堆。1 8 8 0 年，s p 兰利利用金属细丝的电阻随温度变化 的特性制成另一种热敏型红外探测器，称为测辐射热计。1 9 4 7 年，m j e 高莱发明一种 利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器。2 0 世纪5 0 年代初，一些国家投入相当大的 人力、物力发展红外技术。1 9 5 8 年英国皇家信号及雷达研究所的l a w s o n 等人发明了碲 镉汞( c m t ) 红外探测器，促进了热成像技术的发展。直到今天，c m t 仍是红外热成像选 用的最重要的探测器。真正实用的红外热成像系统产生于2 0 世纪6 0 年代，美国德克萨 斯仪器公司研制出世界上第一台实时显示电视图像的军用红外热成像系统，经过战场的 试验和考核，证明红外热成像是一种成功的技术。由于它最先是空军观察地面目标的仪 器，所以热成像有时也称为前视红外系统( f l i r ) 。6 0 年代后出现了三元化合物的探测 器，如h g c d t e 。7 0 年代发展了多元线列红外探测器，8 0 年代研制出了扫描型h g c d t e 探测器。近二十年来，红外焦平面( i r f p a ) 技术研究成为红外探测器研究的重点，这一 类型探测器可以在芯片上封装上万个探测单元，可以用来制作凝视型红外系纠弼l 。 1 2 热成像技术的现状和发展 红外热成像系统分为制冷型和非制冷型。制冷红外热像系统又有一代、二代和三代 之分。第一代红外热成像系统主要由红外探测器( 含致冷器) 、光机扫描器、信号处理电 路和视频显示器组成。红外探测器通常使用的有锑化锢( i n s b ) 和碲镉汞( c m t ) 器件，目前 发展的是高性能多元c m t 探测器，器件元数己高达6 0 元、1 2 0 元和1 8 0 元。多元c m t 器件不但提高了探测度，而且可以增大视场，提高分辨率和信噪比，并可在3 5p m 和 8 1 4 m 两个大气窗口波段下工作。2 0 世纪8 0 年代初，又有一种称为s p r i t e 探测器新 型红外探测器( 或称扫描型探测器) 问世，它是由n 条纵横比大于1 0 ：1 的窄条光导c m t 元件所组成，在高偏压下工作。s p r i t e 探测器除了具有探测功能外，又能在元件内部实 现信号的时问延迟和积分，从而取消了普通线列器件所需的后接信号处理电路，减少了 i 绪论 硕1 ：论文 元件引线和热负载，使红外系统简化紧凑，工艺难度下降，大大提高了可靠性。目前美 国的热成像通用组件采用多元( 6 0 元、1 2 0 元、1 8 0 元) c m t 探测器，并扫体制，图像清 晰度可与采用图像增强技术的图像相比，最小可分辨温差达0 1 k 。 第二代红外热成像系统与第一代通用组件相比响应速度更快、分辨率更高、视场更 大、尺寸更小、质量更轻、可靠性更好、能耗更少、自动化程度更高，且应用范围更广。 第二代热成像系统采用位于光学系统焦平面、具有n x m 元且带有信号处理的面阵探测 器，即红外焦平面探测器阵歹o ( i r f p a ) 。它是借助集成电路的方法将探测器装在同一块 芯片上，并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号传输到信号处理器中。 这种焦平面阵列的优点是，既能在焦平面上封装高密度探测器，又能在焦平面上进行信 号处理。红外焦平面阵列是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物，有两种工作 方式：一种是扫描式，其阵列规模多在5 0 x 4 1 0 0 0 x 3 2 元之间，前一数字表示分辨通道 的数目，后一数字决定时间延迟和积分的次数；另一种是凝视式，其阵列规模在3 2 3 2 , - 一， 5 1 2 5 1 2 元之间。阵列中元数越多，能获得视场景物的分辨率就越高。目前红外焦平面 凝视式阵列( 称为第三代红外热成像器件) 日趋成熟，除3 2 3 2 - - - 6 4 6 4 元凝视式中波红 外阵列外，5 1 2 5 1 2 元高密度c m t 阵列己经问世【4 巧j 。 从红外焦平面阵歹i j ( i r f p a ) 探测器的工作模式看，红外焦平面阵列可分成两类：热 效应探测器( 热释电探测器、测热辐射计等) 和量子效应探测器( h g c d t e 、i n s b 、p t s i 等光导或光伏型探测器以及量子阱探测器等) ；按制冷方式分，又可分为制冷型和非制 冷型两类。 目前所有工作于3 - - 5p m 和8 1 4l x m 波段制冷型焦平面热像仪都基于光子探测原 理，即依赖入射红外光子在探测器中引发的载流子，定向生成的光生电荷产生正比于入 射红外辐射通量的信号。通常需要在2 0 0 k 温度以下工作，并取得到目前领先于其它各类 阵列的高探测性能指标。 自7 0 年代后期提出红外焦平面阵列的概念以来，经过2 0 多年的研究，已经取得了重 大的进展，研制出了一系列单片式和混合式红外焦平面阵列。而近年来，焦平面热成像 技术在中波3 - - - , 5l a m 波段已取得比长波8 1 4 l a m 波段更为长足的进步，尤其是基于3 2 0 2 4 0 ( 或3 8 4 2 8 8 ) 元h g c d t e 和i n s b 中波焦平面探测器的红外热成像技术，已达到很高 的性能指标( 如n e t d 可达2 0 m k 左右) 。 法国目前把红外热成像技术划分为三代，第一代为长波光机扫描型，第二代以长波 2 8 8 4c m t 为代表，第三代以中波3 2 0 2 4 0 c m t 为代表。 第一代红外热成像系统可选择工作波长为8 1 4 岬的h g c d t e 或3 5l a m 的i n s b 。由 于探测器元数极为有限，一般不超过2 0 0 元；至于选用哪个波段，则主要取决于目标和 背景的辐射特征、大气的光谱透射比以及探测器的光谱灵敏度如：探测器都为背景限 的性能、目标和环境温度为3 0 0 k 、两波段大气透射比和其他参数相似的情况下，长波系 2 硕一 ：论文高件能红外热像仪i 【l 源研究 统的温度灵敏度要比中波的好3 倍左右，也就是一个长波探测器所能达到的性能与1 0 倍 中波探测器元数系统的性能相当。 所以，各国的热成像无一例外，都选用长波h g c d t e 。经2 0 年的努力，第二代的红 外系统仍然选用长波h g c d t e 的探测器，探测器单元数为1 0 3 ，多数要求是把第二代热成 像系统的对目标识别距离设定为第一代的1 4 2 倍；而且，还是需要一个扫描器，探测 器的排列为2 8 8 x 4 、4 8 0 x 4 、5 7 6 6 、9 4 0 4 等，扫描方向为延迟积分( t d i ) 以提高系 统的灵敏度。因此，第二代热成像也大都选择在长波工作。而红外焦平面技术发展到第 三代后，情况有所变化。此时的探测器单元数已达到3 2 0 2 4 0 元或更高( 即1 0 5 1 0 6 ) ， 其性能提高了近3 个数量级；且目前3 - 5 岬焦平面探测器的单元灵敏度又1 ：1 , 8 - - 1 4 t m 探测器高2 - 3 倍左右。因而，基于3 2 0 2 4 0 元的中波与长波热像仪的总体性能指标相差 不大。这是3 - 5p m 焦平面探测器( h g c a t e 、i n s b ) 在第三代焦平面热成像技术中受到重 视的原因之一。3 , - - 5 岬窗口是红外热成像的窗口之一。较高温度的目标在这个区域有 很强的辐射，如适用于观察和跟踪空中目标等；其次，在潮湿或大气水分高的地区，3 5i t m 波段的大气透射要优于8 - - 1 4h m 波段；另外，对红外热像仪整机系统来说，在光 学衍射限制和同一分辨角的情况下，3 - - 5l a m 波段的光学口径要比8 1 4 岬波段的小一 半。这对降低红外热成像系统的体积与重量，有着显而易见的贡献，符合当前及今后热 像仪小尺寸、轻重量的发展趋势。 基于上述的两个主要原因，中波凝视焦平面热像仪在第三代焦平面热成像技术的发 展进程中异军突起，其发展与应用速度超过同规格( 单元数) 的长波热像仪，这与其较高 的性价比、以及体积小及重量轻的优势是密不可分的。 1 3 本文的研究背景和意义 红外热成像系统的研究对国防建设和民事应用都有着非常重要的意义。近几年国内 在红外热成像系统的研究上投入了很多资金，希望在热成像系统上能够有所突破，赶上 西方国家，达到世界水平。出于这个目的，我们教研室开展了6 4 0 x5 1 2 中波凝视型红 外热成像系统研究，该项目面向国防军事和民用领域都具有巨大的应用价值。 6 4 0 5 1 2 中波凝视型红外热成像系统是一款高性能红外热像仪，其工作波在3 7 4 8 岬之间。红外系统的作用距离主要由等效噪声温差( n o i s ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ，n e t d ) 、最小可分辨温差( m i n i m u mr e s o l v a b l et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，m r t d ) 和空间分辨率等决定。目前常用的3 2 0 2 5 6 元红外焦平面阵y u ( i n f r a r e df o c a lp l a n e a r r a y s ，i rf p a ) 探测器的面元尺寸为3 0 岬，为了提高红外系统分辨率，光学系统焦距 要增加，造成系统体积较大，无法解决红外系统体积小和分辨率高的矛盾。6 4 0 5 1 2 元 i rf p a 的面元尺寸只有1 5 岬，等效噪声温差：n e t d 6 0 m k ，最小可分辨温差：m r t d 0 5 k ，达到了达至u 3 2 0 2 5 6 元i rf p a 同样的分辨率和灵敏度，系统的焦距能够减小 3 l 绪论 硕 ：论文 一半，1 2 1 径能减d x l 3 以上【6 1 。 因此，该探测器拥有高分辨率，低重量，低输入电压，高帧率等优点，可用于军事 上监测及民用方面无损检测等多个方面。 本课题的主要内容是：采用6 4 0 5 1 2 中波多模制冷红外探测器( i d d c a ) ，研制红外 焦平面热成像系统。完成这个热成像系统研制所要进行的工作包括如下： ( 1 ) 红外光学系统的设计，这部分所要实现的功能是把目标物体的红外辐射聚焦 到焦平面阵列上； ( 2 ) 红外热成像系统电源设计，这部分主要用于产生系统各个部分的供电电源， 包括：为前端的模拟电路部分提供多路稳定、低噪声、大电流电源及高要求的恒流源， 并为后端图像处理电路提供稳定的数字电源； ( 3 ) 驱动电路的研制，驱动电路使焦平面探测器能正常工作，并且把从探测器输 出端输出的原始模拟图像信号先作一定的预处理，然后完成模数变化，最后送到计算机 存储起来，以便后续处理； ( 4 ) 红外图像的处理，包括非均匀性校正、直方图均衡、盲元补偿等功能，以便 得到适合人眼观察的有用的红外图像信息。 其中，成像系统的模拟部分是影响成像效果的关键部分。由于模拟信号比较容易受 到干扰，特别是这种数字模拟混合的处理电路，尤其需要注意。在采集前端，红外原始 图像能量本来就比较弱，如果此时如果电源产生较大的干扰则会严重影响成像效果。 本文研究了抗干扰措施，根据中波6 4 0 x5 1 2 元i r f p a 探测器及其处理电路的要求， 详细设计了一套适用的电源系统，取得了比较好的效果，使得电源对后续信号的影响大 为降低。 1 4 本文主要的研究工作 本文以设计和研制低噪声、高性能的中波凝视型红外热像仪系统电源为主要目标， 全面阐述了红外热成像技术的现状和发展、电源完整性原理和电源应用技术，研制了多 路稳定、低纹波、大电流的系统电源。 围绕本课题本文主要做了如下的研究工作： ( 1 ) 了解中波凝视型红外热像仪的工作原理，深入研究电源完整性原理和电源应用 技术，对各部分供电要求做细致的分析，设计出了中波凝视型红外热像仪系统电源的整 体方案。 ( 2 ) 设计并研制了6 4 0 x 5 1 2 中波凝视型红外热像仪的系统电源。根据红外热成像 系统各部分对供电的要求，分别采用d c d c 变换器和低压差线性稳压器两种方案来设 计并开发了整个红外热成像系统的供电电源，深入研究了系统电源板上噪声产生的问 题，区分其产生噪声的主次因素，对其进行了精心设计，使系统产生的噪声大为降低， 4 硕上论文 高性能红外热像仪电源研究 并且设计了输入切换电路和输出监测电路，完善电源模块的功能。 ( 3 ) 对热像仪电源板，进行硬件调试，以达到整机需要的噪声电压，并对监测部 分电路进行初始化。 2 电源设计原理硕1 ：论文 2 电源设计原理 2 1 电磁兼容的基本概念 对于电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ) 的定义1 7 】，比较权威的 是国家标准g b t 4 7 6 5 1 9 9 5 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。 事实上，电磁兼容的国家标准基本上是采用了国际电工委员会i e c ( i n t e m a t i o n a l e l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的标准而制定与国际规范所接轨的国家标准的。定义中提 到的“电磁骚扰 ，在1 9 9 0 年i e c 6 0 0 5 0 ( 1 6 1 ) 以前的标准和文献中一般称为电磁干扰。 i e c 6 0 0 5 0 发布后，将骚扰( d i s t u r b a n c e ) 和干扰( i n t e r f e r e n c e ) 的概念区分丌刑8 1 。 有一些需要明确的是，设备的电磁兼容性包含了两方面的意思，首先，设备要有一 定的抗电磁干扰能力，使其在电磁环境中能够正常工作；其次，设备工作中自身产生的 电磁骚扰应在一定水平下，不能对同处于一个电磁环境中的任何事物构成不能承受的电 磁骚扰。 对于电力电子产品的抗电磁能力这就有如下的两个定义【9 l 。 抗扰度( i m m u n i t y ) 在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统具有不降低其 运行性能的能力。 敏感性( e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或 系统没有不降低其运行性能的能力。 而对于电力电磁产品的对外界环境的产生的干扰的则定义有： 电磁发射( e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n ) ：从源向外发出电磁能的现象。这罩提到的“发 射与通信工程学中常用的“发射 含义是不太相同的。电磁兼容中的发射既包括传导 发射，也包括辐射发射，而通信中的发射主要指辐射发射；电磁兼容中的发射常常是无 意的，一些本来做其他用途的部件( 如电线、电缆等) 充当了发射的角色，而通信中则 是由无限发射台产生并精心设计与制作的发射部件( 如天线、探头等) 。 6 硕： ：论文 高性能红外热像仪m 源研究 图2 1 电磁兼容包含的基本内容 2 1 1 解决e m c 的基本原理 要保证电子产品的电磁兼容性达到标准，首先 要来研究一下电磁干扰问题是如何发生和产生影响的。从而找出解决和应对的策略 与方法。 电磁干扰发生作用，需要三个“要素”的存在。一个简单的电磁干扰模型由三个部 分组成：电磁干扰源、耦合路径和接收器。如图2 2 所示。 控制发射 ( 减少噪声源级别) ( 降低电磁辐射) 控制易受 ：扰性 ( 降低电磁辐射) ( 增加接收器抗i ：扰能力) 图2 2 电磁干扰模型 ( 1 ) 电磁干扰源 电磁干扰源包括微处理器、微控制器、静电放电、传送器、瞬时功率执行元件，比 如说：机电式继电器、开关电源、雷电等。在一个微控制器系统罩，时钟电路通常是最 大的宽带噪声发生器，而这个噪声被分散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的 应用，其边沿跳变速率非常快，这种电路可以产生高达3 0 0 m h z 的谐波干扰。 ( 2 ) 耦合路径 噪声被耦合到电路中最简单的方式是通过导体的传递。如果一条导线在一个有噪声 的环境中经过，这条导线通过感应将接受这个噪声并且将它传递到电路的其余部分。噪 声通过电源线进入系统，就是这种耦合的种情况。由电源线携带的噪声就被传到了整 2f 乜源设计原理 硕一l ：论文 个电路。 耦合也能发生在有共享负载( 阻抗) 的电路中。例如，两个电路共享一条提供电源 电压导线，并且共享一条接地的导线。如果一个电路要求提供一个突发的电流，由于两 个电路共享共同的电源线和同一个电源内阻，则另一个电路的电源电压将会下降。该耦 合的影响能通过减少共同的阻抗来削弱。但不幸的是，电源内阻抗是固定的而不能被降 低，这种情况也同样发生在接地的导线中。在一个电路中流动的数字返回电流在另一个 电路的接地回路中产生了地电位的变动。若接地不稳定，则将会严重的降低运算放大器、 模数转换器和传感器等低电平模拟电路的性能。 同样，对每个电路都共享的电磁场的辐射也能产生耦合。当电流改变时，就会产生 电磁波。这些电磁波能耦合到附近的导体中并且干扰电路中的其它信号。 ( 3 ) 接收器 对于接收器的说法有很多，敏感源、易扰设备等等。所有的电子电路都可以接受传 送的电磁干扰。虽然一部分电磁干扰可通过射频被直接接受，但大多数是通过瞬时传导 被接受的。在数字电路中，临界信号最容易受到电子干扰的影响。这些信号包括复位、 中断和控制信号。模拟的低级放大器、控制电路和电源调整电路也容易受到噪声的影响。 为了进行电磁兼容性设计并符合电磁兼容性标准，设计者需要将辐射( 从产品中泄 露的射频能量) 减到最小，增强其对辐射( 进入产品中的射频能量) 的易感性和抗干扰 能力。辐射耦合在高频中十分常见，而传导耦合路径在低频中更为常见。 通过电磁干扰模型，很容易找到抑制电磁干扰的方法：一是设法降低电磁波辐射源 或是传导源；二是切断耦合路径；三是增加接收器的抗干扰能力。当一个e m i 问题发 生时，工程师应以逻辑性的分析来探讨问题。只要有干扰存在，就必须具备干扰源、耦 合路径和受扰对象这三个要素。因此，在解决电磁兼容问题时，也要从这三个要素入手 进行分析。一般而言，设计一个性能良好的p c b 以降低r f 能量是最经济有效的方法。 而第二个和第三个要素趋向于用屏蔽技术处理。 电磁兼容问题在产品设计时往往会被人们所忽视，因为人们往往都会把注意力放在 如何完成系统功能的实现上，而对电磁兼容这种看不见的问题都不加以考虑，当成品在 调试甚至到进行电磁兼容测试验证的时候才发现存在的问题。这是对产品的成本及生产 周期影响非常严重的事情。 最经济有效的电磁兼容性设计方法，是在设计的早期阶段充分考虑评估电磁兼容性 的技术要求。这往往需要对电磁兼容设计富有较强的经验和知识。但这确实是降低成本， 规避风险的最有效的方法。 在整个产品生命周期内的电磁兼容解决思路，对于电源系统的电磁兼容性设计是由 同样的道理的，当系统设计后电源系统的电磁兼容性所产生的问题有可能很早就发现， 当电源系统产生的噪声干扰到后端电路系统的正常工作时，这是可能很容易就想到改进 8 硕上论文高性能红外热像仪i 【 源研究 系统的电源设计。但当系统电源设计的抗干扰性设计存在隐患时，试验设备或模块很可 能运行正常，但应用到现场或是整体设备时就无法正常工作了，这时曾经完成的整机设 计调试都要重新再来，这所造成的成本和风险的损失是不可估量的。 本文研究电源电磁兼容性的思路就是着眼于总体，从设计流程的最初就加入对电磁 兼容性问题的考虑，以保证整个电源系统的电磁兼容性能够顺利达到预定目标。期望能 够指导实际的工程实践，通过对嵌入式高速数字电路中电源系统设计的特点的分析，结 合电磁兼容标准的要求，提出一个全流程的设计指导，从电源系统结构设计，器件的选 型，到电源电路的搭建、到电源分布系统的p c b 设计，形成一个贯穿始终的电磁兼容 性设计的策略。 2 1 2 电源系统的电磁兼容性问题 对于电子设备( 特别是计算机和数字逻辑控制的设备) 对电源线的干扰和电压波动 十分敏感。为此，在国际和国内的基础性抗扰度测试的系列标准中，有相当一部份( 如 电快速瞬变脉冲群试验，雷击浪涌试验，由射频场感应所引起的传导骚扰试验，电压跌 落，短时中断和电压波动试验，以及衰减振荡波试验，等等) 都说到了要做电源线上的 抗干扰试验。而且有为数众多的电子设备的行业标准和产品标准，把这些试验列为要强 制进行的测试项目。所有情况都表明了国际和国内对电源线的抗干扰试验的重视程度。 电源干扰的复杂性中众多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。 ! 塑l i o 时，电 容在充电状态，这时二极管d l 承受反向电压；经时间d l = t 。t s ( t 0 。为t r 闭合的时间， t s 是周期) 后，t r 截止时，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保 持其电流i l 不变。负载r 两端电压仍是上正下负。在i l 0 ，开关打开时，i s 是脉动的，但输出电流i o ，在l 、 d l 、c 作用下却是连续的，平稳的。 在t r 开通和截止的整个周期中，可以看到电感l 的储能和释能效果，对输出的电 压影响非常的大。所以对电感的电流连续与否分别进行阐述。在电感的电流连续的情况 下，可以看出，在输入输出不变的前提下，t r 导通时，电感电流平均值i l = i o = v o r ， 电感电流线形上升增量为 i l ：。f 譬：毕，l = 毕d 。r s ( 2 5 ) b l厶l 式中a i l l 表示电流增量( a ) ；v s 表示输入电源电压( v ) ；v o 表示输出电压( v ) ；l 表示电感( h ) ；t s 表示开关周期( s ) ；d l 表示开关接通时间占空比。 当t r 截止的情况下，i l 电流增量为 “比挚一半圪一半一v l o d 2 t s 亿6 ， 由于稳态时这两个电流变化量相等，即a i l l = i a i l 2 1 ，所以 2 电源设计原理顾。f ：论文 整理得 t r s - v o 。r s v l 。d 2 t s = 争( 1 一d , ) r s ( 2 7 ) v o = v s d i m ：v ，o ：d l 蚝 ( 2 8 ) 由上式可知，输出电压v o 随占空比d l 的变化而变化，由于d l 1 ，故v o a l a r mp e n d i n gf o rr a i l n 3 2 4 硬件接口 图3 1 8r a i l s t a t u s 寄存器 j 5 6 v i n c 12 5 v i n e 34 5 、，v i p56 12 v 78 p x e 5 v 910 一7 v 111 2： 7 v 1 31 4 5 v c t i 1516 s c l 1 718 s d a 1 92 0 广1 2 12 2。 ：2 32 4 33 v 1 2 c “2 52 6 p v i n 2 7 2 8 c o n 2 8 a 一协 硕f ：论文高性能红外热像仪i u 源研究 1 0 图3 1 9 接口电路 电源板和接口板相连接，总共提供9 路电压输出，两路电压输入，一个1 2 c 总线接 口s c l ，s d a ，通过此接口可以实现电压监测。输出电压包括提供给接口板的6 v i n e 、 5 v i n e 、3 3 v 1 2 c ，要求电流都为5 0 0 m a 。提供给v i p 板的5 v v i p ，2 a 。提供模拟处理 板的1 2 v ，5 0 0 m a ；模拟处理板5 v ，1 a ；7 v ；7 v 。提供制冷电机的1 2 v ，3 a ，通过 模块实现。两路输入电压b i n 和p v i n ，可实现自动切换。b i n 为电池供电，输入7 2 v ： p v i n 为外部供电，输入8 v 。 3 3 系统p c b 设计 3 2 节用原理图对系统的框图进行了实现，硬件设计的另一个重要的方面就是将原 理图转化为物理实体，这就是p c b 的设计问题，该部分的设计是最终调试与交付使用 的基础。 高速p c b 的设计是近年来随着处理器速度的提高而发展起来的，随着处理器速度 的提高，一般的p c b 设计己经不能够满足系统的需要，例如对于上百兆的信号线来说， 如果仍按照传统的设计方法，就不可避免的会产生反射、串扰、振铃等，致使信号逻辑 产生错误，导致系统设计失败。所以在进行高速p c b 设计时，必须遵循一定的规则来 进行。 3 3 1p c b 设计所面临的问题和解决方法 p c b 设计中所面临的问题主要包括以下几方面：反射、振铃、串扰和e m i 等。 反射是指信号经传输线传输时，由于传输线阻抗的不连续以及传输线过长，信号一 部分会被反射回来的现象，振铃现象就是反射的具体表现。由反射的定义知道其来源有 两方面：传输线阻抗的不连续和传输线过长。传输线阻抗的不连续可以通过布线时尽量避 免使用过孔和直角拐角来克服，如果在不得不使用过孔的场合，还可以考虑在过孔处产 生泪滴以使阻抗平滑过渡；传输线过长引起的反射归根结底是由传输线阻抗的不匹配造 成的，克服的方法是进行端接，具体又分为并联端接和串连端接，串连端接是在信号驱 动端并联上一个电阻，但是这种端接存在着很大的缺点，它会使系统的电源的总电流变 大，实际上并不可行，改进的方法是用一电阻与一电容串连再并接到驱动端，该方法称 4 1 3 系统i 乜源设计硕i ：论文 为交流并联端接，可大大减小电流的消耗；另一种端接方法就是串连端接，具体做法是 在靠近源端的地方串连进去一几十欧姆的电阻，该方法简单有效，在系统设计中常使用 这种方法。 串扰是指信号线之间的耦合，信号线上的互感和互容引起的线上噪声的现象。由串 扰的定义知道串扰有以下来源：互容串扰和互感串扰。互容串扰就是信号线问的容性藕 合，当信号线在一定长度上靠得比较近的时候就会发生，克服的方法有两种，适当减少 两根走线间的并行的距离和在两根走线间穿插地线。互感串扰是由布线时产生的环路引 起的，克服的办法就是在布线时避免环路的出现。 电磁干扰( e m i ) 随着电路速度的提高，变得越来越严重，高频器件容易对干扰敏感， 有可能会接收高速的假信号而产生逻辑误操作。减少e m i 的途径通常有：屏蔽、滤波、消 除电流环路。滤波的方法最为常用，通常的做法就是在电路板的四周、电源入口处以及 各个器件的电源管脚上加上滤波去藕电容，容值应选择4 7 心一- - 1 0 心的大电容。在消除 电流环路方面，首先应避免人为回路，其次在信号的自然回路方面，应进行信号的回路 的分析，最好能使用电源层、地层以使信号的自然回路和信号环路的面积最小。 总的来说，在进行高速p c b 设计时应遵循以下原则【2 4 1 ： ( a ) 确保系统有稳定统一的电源和地，具体说来就是使用电源和地平面，并且对 电源进行滤波和去祸； ( b ) 仔细考虑布局布线，尽量较少的使用过孔，对速度较快、走线较长的信号线 进行适当的端接以减小和消除反射； ( c ) 对重要的高速信号线间的间距进行考虑，以避免相互间的串扰； ( d ) 适当的进行仿真，包括布线前的仿真和布线后的仿真。 3 3 2 系统p c b 设计 系统p c b 设计是本论文的主要工作之一，按照设计流程，依次讨论了电路板叠层 结构、p c b 布局等问题。在进行p c b 设计时，应当以3 3 1 总结的原则为指导，以确保 设计的可靠性和稳定性。 ( 1 ) 电路板叠层结构 为了降低成本和提高系统身勺性能，根据系统中电源的种类和分布情况，决定使用四 层电路板来