电源电路设计及EMC简介

1、中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 电源电路设计及电源电路设计及emc简介简介 电子信息工程学院电子信息工程学院 2012.72012.7 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 主要内容主要内容 1.1.直流电源电路原理直流电源电路原理 2.2.电源电路设计电源电路设计 3.emc3.emc简介简介 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 1.1 直流电源电路分类直流电源电路分类 直流电源的来源直流电源的来源 电池供电 交流电源输入 以电路元件的工作状态来分以电路元件的工作状态来分 线性电源 开关电源 以直流稳压电路的工作原理来分以直

2、流稳压电路的工作原理来分 线性稳压电路 dc/dc稳压电路 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 效率高效率高 重量轻重量轻 纹波大纹波大 噪声高噪声高 纹波小纹波小 无噪声无噪声 效率低效率低 重量、体积大重量、体积大 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 1.2 线性稳压电路线性稳压电路 稳压电路内部原理图稳压电路内部原理图 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 由四部分组成：由四部分组成：基准电压、调整管、取样电路、放大比较环节。基准电压、调整管、取样电路、放大比较环节。 串联型稳压电源的构成串联型稳压电源的构成 + + + +

3、 dz z ur + + a r2 u u r r f 1 - + l + o t - + - i u 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 常用的集成三端稳压器的外形及类型常用的集成三端稳压器的外形及类型 类型：类型：w7800系列系列 稳定正电压稳定正电压 w7805 输出输出+5v w7809 输出输出+9v w7812 输出输出+12v w7815 输出输出+15v w7900系列系列 稳定负电压稳定负电压 w7905 输出输出-5v w7909 输出输出-9v w7912 输出输出-12v w7915 输出输出-15v 1端端: 输入端输入端 2端端: 公共端公共

4、端 3端端: 输出端输出端 1 2 3 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 + + uo w7815 22 c 31 1 c u i 基本使用方法基本使用方法 +20v+15v 78系列稳压芯片输入电压系列稳压芯片输入电压ui一般应比输出电压端一般应比输出电压端uo 高高3v以上。以上。 c1、c2的作用：的作用：防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的 瞬态响应。瞬态响应。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 ldo：low drop-out 如如lp2982，drop out voltage：0.10.2v 优

5、点：无纹波、低噪声。优点：无纹波、低噪声。 缺点：效率低，输入输出压差大时无法使用缺点：效率低，输入输出压差大时无法使用 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 1.3 dc/dc稳压电路原理稳压电路原理 开关管开关管 脉冲调制脉冲调制 比较放大比较放大 滤波电路滤波电路 采采 样样 电电 路路 基准电压基准电压 + - - ui uo + - - pwm/pfm 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 脉冲宽度调制式开关型稳压电路脉冲宽度调制式开关型稳压电路 二、工作原理二、工作原理 当当 ut ua 时，时，ub = + uopp，开关管饱和导通，开关管

6、饱和导通，ie 向向负负 载提供电流，并将能量储存在电感的磁场中；载提供电流，并将能量储存在电感的磁场中； 当当 ut ua 时，时，ub = - - uopp，开关管截止，开关管截止， ie = 0，电感电感 释放能量，产生的电流流过负载和二极管。释放能量，产生的电流流过负载和二极管。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 开关管处于开关状态，发射极电位是高低交替的脉冲开关管处于开关状态，发射极电位是高低交替的脉冲 波形，经波形，经 lc 滤波电路后，负载上得到较平滑的输出电压滤波电路后，负载上得到较平滑的输出电压 uo。 1 1 0 dcesi 0 eo d)(d)(

7、1 d 1 tt t t tutuu t tu t u ii 1 0 io 1 d 1 duu t t tu t u t 脉冲波形的占空比。脉冲波形的占空比。 t t d 1 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 降压型降压型dc/dc稳压电路稳压电路 降压型降压型dc/dc原理图原理图 当开关闭合时，加在电感两端的电压为（当开关闭合时，加在电感两端的电压为（vi-vo），此时电感由电压（），此时电感由电压（vi-vo） 励磁，电感增加的磁通为：（励磁，电感增加的磁通为：（vi-vo）*ton。 当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管当开关断开时，由于输出电流的连续，二极

8、管vd变为导通，电感削磁，电感减变为导通，电感削磁，电感减 少的磁通为：（少的磁通为：（vo）*toff。 当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（vi-vo）*ton=（vo）*toff，由于，由于 占空比占空比dvo，实现降压功能。，实现降压功能。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 升压型升压型dc/dc稳压电路稳压电路 升压型升压型dc/dc原理图原理图 当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（vi）励磁，电感增加）励磁，电感增加 的磁通为：（的磁通为：（vi）*t

9、on。 当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管vd变为导通，电感削磁，电感减变为导通，电感削磁，电感减 少的磁通为：（少的磁通为：（vo- vi）*toff。 当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（vi）*ton=（vo- vi）*toff，由于，由于 占空比占空比d1，所以，所以vivo，实现升压功能。，实现升压功能。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 反极型反极型dc/dc稳压电路稳压电路 电压反极型电压反极型dc/dc原理图原理图 当开关闭合时，此时电感由电压（当开关闭合时，此时电

10、感由电压（vi）励磁，电感增加的磁通为：（）励磁，电感增加的磁通为：（vi） *ton； 当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（vo）*toff。 当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通， （vi）*ton=（vo）*toff，根据，根据ton比比toff值不同，可能值不同，可能vivo。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 主要内容主要内容 1.1.直流电源电路原理直流电源电路原理 2.2.电源电路设计电源电路设计 3.emc3.em

11、c简介简介 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 2.1 电源设计的主要指标电源设计的主要指标 电源容量电源容量 是指电源能提供的最大功率。 输出电压电流输出电压电流 是指电源输出最大的电压和电流值。 输出电压电流调节范围输出电压电流调节范围 是指可调电压电流的范围。 输出纹波输出纹波 对于电路来讲，电源纹波越小越好，但是相应的成本 就会增加；对应硬件电路来讲，都有一定的噪声允许 范围，尤其是数字电路。所以电源纹波的设计只要满 足系统器件的最小要求一般即可，不要特别追求纹波 最小化。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 2.2引起稳压电源输出不稳定的主

12、要因素引起稳压电源输出不稳定的主要因素 输入电压不稳定输入电压不稳定 如果输入电压很不稳定，那么就将影响到输出 电压的稳定性。所以输入端要加滤波电容滤波电容。 负载变化负载变化 当负载突然发生比较大的变化时，会产生比较 大的电流脉冲，从而影响电压变化，如果处理 不好，就会造成电源输出的不稳定。每个器件 的供电引脚加的退耦电容退耦电容在一定程度上就可以 减少负载变化对电源的影响。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 2.2 引起稳压电源输出不稳定的主要因素引起稳压电源输出不稳定的主要因素 稳压电源本身条件变化稳压电源本身条件变化 如果稳压电源本身器件发生变化，比如老化、 受

13、温度湿度等影响，稳压电源的输出可能会发 生偏移。 元器件影响元器件影响 元器件会随着工作电压、功率、温度、湿度等 的变化而发生变化，势必会影响到电源的稳定 性，所以在设计的时候要考虑用到的元器件的 相关参数。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 2.3 电源电路设计电源电路设计 1.1.电源芯片选型电源芯片选型 线性电源线性电源 or dc/dc？ 输入电压范围，输出电压电流，效率，纹波，成本？输入电压范围，输出电压电流，效率，纹波，成本？ 怎么选？怎么选？ ti，ns，lt，maxim，。，。，sgm 网站，电子市场网站，电子市场 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大

14、学电子信息工程学院 2.3 电源电路设计电源电路设计 2.2.外围电路器件选型外围电路器件选型 外围电路：外围电路： 输入端：输入电压范围，保护电路，滤波电容输入端：输入电压范围，保护电路，滤波电容 输出端：电感选择，电容，滤波？输出端：电感选择，电容，滤波？ 3.3.器件布局和走线器件布局和走线 考虑电流路径考虑电流路径 增加去耦增加去耦/旁路电容旁路电容 4.4.应用电路应用电路 电容电容 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 2.3 电源电路设计电源电路设计 5.5.实际电源电路实际电源电路 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 2.3 电源电路设

15、计电源电路设计 6.pcb6.pcb布局和走线布局和走线 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 主要内容主要内容 1.1.直流电源电路原理直流电源电路原理 2.2.电源电路设计电源电路设计 3.emc3.emc简介简介 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 定义 电磁兼容（电磁兼容（emc)emc)： electromagnetic compatibility 电磁干扰（电磁干扰（emi)emi)： electromagnetic interference 电磁敏感性（电磁敏感性（emsems）：）： electromagnetic susceptibi

16、lity 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 为什么要考虑为什么要考虑emc？ 国内外技术壁垒、强制要求国内外技术壁垒、强制要求 fccfcc，cece，cccccc 产品的可靠性产品的可靠性 电磁骚扰电磁骚扰 抗扰度抗扰度 电磁泄密电磁泄密 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 emi试验试验:(参照参照cispr22/gb9254) 传导发射试验传导发射试验 辐射发射试验辐射发射试验 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 ems试验 (gb/t17626.系列) 静电放电抗扰性试验（静电放电抗扰性试验（.2.2） 射频电磁场辐射

17、抗扰性试验（射频电磁场辐射抗扰性试验（.3.3） 电快速瞬变脉冲群抗扰性试验（电快速瞬变脉冲群抗扰性试验（.4.4） 雷击浪涌抗扰性试验（雷击浪涌抗扰性试验（.5.5） 射频场传导抗扰性试验（射频场传导抗扰性试验（.6.6） 工频磁场抗扰性试验（工频磁场抗扰性试验（.8.8） 电压瞬时跌落电压瞬时跌落, ,短时中断和电压渐短时中断和电压渐 变的抗扰性试验（变的抗扰性试验（.11.11） 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 何时解决何时解决emc 生产进程 可采取的措施 解决emc的成本 设计生产使用 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 emc 三要素

18、三要素 干扰源干扰源 敏感设备敏感设备 传播途径传播途径 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 emc设计设计 接地（接地（grounding)grounding) 屏蔽屏蔽(shielding)(shielding) 滤波滤波(filtering)(filtering) 内部设计（内部设计（pcbpcb板）板） 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 接地接地(grounding) 接地的目的一是防电击，二是去除干扰。接地的目的一是防电击，二是去除干扰。 即可将接地分为两大类：即可将接地分为两大类： 安全接地安全接地(safety grounding)

19、信号接地信号接地 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 安全接地安全接地(safety grounding) 安全接地是指接大地安全接地是指接大地(earthing)，也就是将也就是将 电气设备的外壳以低阻抗导体连接大地，电气设备的外壳以低阻抗导体连接大地， 当人员意外触及时不易遭受电击。当人员意外触及时不易遭受电击。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 信号接地信号接地 信号接地除提供参考点之外，同时还可以大信号接地除提供参考点之外，同时还可以大 量消除噪声的干扰。由于噪声本身的特性，量消除噪声的干扰。由于噪声本身的特性， 考虑接地时有不同的处理方法

20、：考虑接地时有不同的处理方法： 单点接地单点接地 多点接地多点接地 复合式接地复合式接地 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 单单 点点 接地接地 系统或装备上仅有一点接地，分为：系统或装备上仅有一点接地，分为： 串联单点接地；串联单点接地； 并联单点接地；并联单点接地； 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 串联单点接地串联单点接地 若系统各线路或装备所产生或需要的电流变化太大， 则不适用串联单点接地，因为高电流的线路或装备所产 生大量的地电位地电位会严重地影响低电流线路或装备的正常 工作。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院

21、并联单点接地并联单点接地 并联单点接地最大的缺点是耗时费料，由于接地线太多 太长，以至增加各地阻抗，尤其在高频范围中更加严重。 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 多点接地多点接地 在频率低于10mhz时，较适于单点接地。若在高频 (10mhz)情况下，由于接地线的长度以及接地电路的影 响，故单点接地无法达到去除干扰的效果，此时就得使用 多点接地。此时接地线的长度亦应尽量缩短。下图各接地 点可视为机壳或接地板： 中南民族大学电子信息工程学院中南民族大学电子信息工程学院 复合式接地复合式接地 复合式单点接地将线路或装备加以归类，复合式单点接地将线路或装备加以归类， 而同时使用串联与并联法，可同时兼顾降而同时使用串联与并联法，可同时兼顾降 低干扰以及减少施