可靠性课程(4=电源抗干扰)

（4）瞬态干扰的抑制 电网上经常会受到瞬时电压冲击，包括雷击造成的过电压冲击，电网电压的浪涌和尖峰，工业火花以及静电放电等，这些对电子设备，特别是微机化仪器仪表产生极大的危害，轻者使性能指标降低，如测量有大的误差；重者使系统紊乱，或发生错误指令，产生严重的可靠性问题。 常常采用以下技术措施来预防思想方法：能量吸收可靠性设计基本方法——EMC第一页，共56页。第一页，共56页。①自恢复保险丝=（PTC）正温度系数热敏电阻——过流保护器件a)高分子型——尺寸更小，阻值更低，反应更快b)陶瓷型——网上产品及技术信息：1)有表面贴装的片式滤波器，等效于穿心电容2)国家半导体推出全新技术的放大器(运放) http://3)压敏电阻=Varistor 避雷器，过压保险丝=arrester(or)可靠性设计基本方法——EMC第二页，共56页。第二页，共56页。②压敏电阻 由氧化锌、铋、钴、锰和其它金属氧化物所组成，其本体结构形成了PN结半导体特性，且是一个多结器件，这些结是并联和串联在一起的。串联起来的结有着较高的电压额定值，并联起来的结则使其能承受高的电流额定值。由于它吸收的能量额定值取决于电压与电流两方面，所以它与压敏电阻的体积成正比。总之，其厚度正比于电压，面积正比于电流，体积正比于其可吸收的能量。（a）电气特性——电压敏感型器件（顾名思义），当加在压敏电阻两端的电压低于标称电压时，它的电阻→∞；而稍稍超过额定值后，电阻便急剧可靠性设计基本方法——EMC第三页，共56页。第三页，共56页。

下降，使其上流过大电流，吸收脉冲干扰的电能，把电压箝制于某一低电压数值上，从而达到削峰的效果。反应时间为毫微秒级(10－9s)。快！可靠性设计基本方法——EMC第四页，共56页。第四页，共56页。 它与两个特性一致的背对背连接的稳压管非常相似，不仅电压反向，正向也有箝位特性，从而使正负脉冲均能消除。能量转换成热量。只要参数选择合理，压敏电阻有适当的功率额定值，将不会对压敏电阻本身以及被保护的线路造成损坏。可靠性设计基本方法——EMC第五页，共56页。第五页，共56页。（b）电气参数压敏电压——恒流条件下出现在压敏电阻上的电压值。不同几何尺寸的压敏电阻有不同的恒流测试条件。外径5mm（实际7mm）——测试电流0.1mA 7、10、14、20（9、14、17.5、24mm）——1mA残压比——指的是具有规定峰值的波形（8/20s标准冲击电流）通过压敏电阻，其两端峰值电压（称为最大限制电压）与压敏电压之比，通常在1.7~1.8之间。最大限制电压及其对应的电流（从图上解释，在安全区域内）

可靠性设计基本方法——EMC第六页，共56页。第六页，共56页。△国内某厂生产的MYD-10K(10mm尺寸)系列压敏电阻的特性参数型号规格压敏电压V最大连续电压最大限制电压电容量AC（V）DC(V)VAPFMYD-10K3903925317752600MYD-10K820825065135251800MYD-10K1511509512525025900MYD-10K43143027535071025250最后一位代表有几个“0”10——10mm，K——电压误差10%（J——5%，L——15%，M——20%）。可靠性设计基本方法——EMC第七页，共56页。第七页，共56页。（C）使用 为减少引线电感（感抗）的影响，两端引线剪得越短越好。 标称电压的选择——一般可按使用电压的1.2~1.4倍关系来确定，除考虑电压的波动范围外，还要注意有效值和峰值间的换算。 对220VAC供电来说，压敏电阻的标称电压应为1.4×1.4(峰值系数)×220V=430V 注意其有固有电容存在，故其不适宜于在高频电路中工作，适合于电源进线，稳压电路等系统中。可靠性设计基本方法——EMC第八页，共56页。第八页，共56页。接法为:可靠性设计基本方法——EMC第九页，共56页。第九页，共56页。③瞬态电压抑制器（TVS—TransientVoltageSuppressor）是一种二极管形式的高效能保护器件，有的又称TVP，AJTVS或SAJTVS。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10－12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，可吸收高达数千瓦的浪涌动率，使两极间的电压箝位于一个较低数值，有效地保护电子线路使其免受各种浪涌脉冲的损坏。可靠性设计基本方法——EMC第十页，共56页。第十页，共56页。a.特点——响应时间快，瞬态功率大、漏电流低，击穿电压偏差小，箝位电压较易被控制，体积小。现在计算机系统，电子设备（通信），电源，家电等领域获得广泛应用。具体应用为：①TVS加在信号及电源线上，能防止CPU系统因瞬间的脉冲，如静电放电效应，交流电源之浪涌及开关电源的噪音干扰所导致的失灵。②TVS放置在信号级及接地之间，能避免数据及控制总线受到不必要的干扰。可靠性设计基本方法——EMC第十一页，共56页。第十一页，共56页。△TVS比压敏电阻性能优越，简单的比较如下TVS压敏电阻反应速度10－12s10－9s有否老化现象无有最高使用温度175℃115℃封闭性质密封不透气透气价格较贵便宜可靠性设计基本方法——EMC第十二页，共56页。第十二页，共56页。b.应用—— TVS器件可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型和专用型，如各种交流电压保护器，4~20mA电流环保护器。数据线保护器，同轴电缆保护器，电话机保护器等。△按封装及内部结构分为：轴向引线，DIPTVS阵列（适用多线保护），贴片式，组件式和大功率模块式。可靠性设计基本方法——EMC第十三页，共56页。第十三页，共56页。背面的

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

△电容感性由两部分组成: 导线电感 电容的体电感可靠性设计基本方法——EMC第十四页，共56页。第十四页，共56页。其它要点：7.5V-440V的确定被保护电路的最大直流或连续工作工作电压，电路的额定标准电压，交流电压应算出最大值1.414×有效值。TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用VWM太低，器件可能发生雪崩或因反向漏电流太大而影响电路的正常工作。串接分压电压，并接分电流。但一般不采用此，可能由于各个器件时间特性的差异，造成器件损坏。可靠性设计基本方法——EMC第十五页，共56页。第十五页，共56页。TVS的最大箝位电压Vc应小于被保护电路的损坏电压。在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功率必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率，其峰值脉冲电流也应大于瞬态浪涌电流。t↗，反向漏电流↗，→允许功耗在+25℃~+175℃范围内线性下降50%，击穿电压VBR也↘。所以必须查阅datasheet，充分考虑温度对其特性的影响。可靠性设计基本方法——EMC第十六页，共56页。第十六页，共56页。典型应用图：图？＝＝＝板书（P.11）(P10反页)瑞士夏弗纳（Shaffner）电子股份有限公司是EMC全球第一品牌，北京光华世通科技有限公司是其分销服务公司。 各种EMC滤波器 电感器 馈通滤波器(穿心滤波器) 馈通电容(穿心电容) 输出滤波器 新产品: 电源线通信解耦滤波器 滤波连接器 EMI/RFI滤波器设计和制造△TVS的名牌公司有美国的：PROTECKPROTECK(DEVICES)可靠性设计基本方法——EMC第十七页，共56页。第十七页，共56页。1．电源抗干扰2．PCB有关问题△PCB=PrintedCircuitBoard是电子系统必不可少的部件。设计和应用中，PCB有关抗干扰的问题很多，这里加以归纳和总结。△△有些专业厂家钻牛角尖地声明“印制电路板”不应称“印制电路”，因为上面没有元件，仅只有布线。即以他的的英文称呼为：PrintedWiringBoard.可靠性设计基本方法——EMC第十八页，共56页。第十八页，共56页。1）印刷电路板的类型——（1）单面板——0.2~5.0mm的绝缘基板上仅只有一面敷有铜箔板（通常厚度为35m）现少用。（2）双面板——0.2~5.0mm（3）多层板——（4）软印制板——基板是可挠性的层状塑料或其它质软膜性材料（如聚脂或聚亚胺绝缘材料），厚度一般为0.25~1mm，也有单层，双层及多层之分。（5）平面印刷板——印刷导线嵌入绝缘基板，基板表面平齐。可靠性设计基本方法——EMC第十九页，共56页。第十九页，共56页。2)基板的类型——（1）酚醛纸基板（又称纸铜板）——机械强度低（弯曲），易吸水，耐高温性能差，价格便宜。（150℃）（2）环氧酚醛玻璃布板——电气及机械性能好，既耐化学溶剂，又耐高温潮湿，但价格较贵。（3）环氧玻璃布板——电气及机械性能好，耐高温潮湿，板基透明。（4）聚四氟乙烯玻璃布——（塑料王）具有优良的介片性能和化学稳定性，耐高温，高绝缘的新型材料。（200℃以上）可靠性设计基本方法——EMC第二十页，共56页。第二十页，共56页。（5）特殊印刷板——从低频到高频，从刚性板→挠性板①挠性印刷板——没有或可减少接插件而互联。②刚挠性混合多层板③微波(高频)印刷板——线条与间距原为0.1mm，现在几乎提高到一个数量级：0.05~0.06mm乃至0.04~0.03mm可靠性设计基本方法——EMC第二十一页，共56页。第二十一页，共56页。④金属芯印刷板——散热性好，尺寸稳定，有屏蔽作用！△敷铜箔一般是15~20m，35m就是加厚板了，最大可到50~60m。可靠性设计基本方法——EMC第二十二页，共56页。第二十二页，共56页。3）多层板的布置问题总的原则——每个布线层必须与一个电源或地线层相邻。多层板的布置层数/层123456备注2S1GS2PS2为主要层，S2、S3为低速信号层4S1GPS26S1GS2S3PS46S1S2GPS3S46S1GS2PGS3可靠性设计基本方法——EMC第二十三页，共56页。第二十三页，共56页。4）板上元器件的布局——按速度分块！可靠性设计基本方法——EMC第二十四页，共56页。第二十四页，共56页。△布局的其它问题：（1）又大又重，发热量大的元器件不宜装在PCB上，而应装在整机的机箱底板上；（2）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使电路布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向；（3）以每个子功能单元电路的核心元件为中心，围绕它来布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。（4）电路板的形状为矩形，长宽比通常取3：2或4：3。尺寸大于200mm×150mm要考虑电路板的机械强度和弯曲变形问题。可靠性设计基本方法——EMC第二十五页，共56页。第二十五页，共56页。单片机系统电路板布局①不是唯一的，仅作为参考②还有A/D，D/A部分，作为低速敏感部分可靠性设计基本方法——EMC第二十六页，共56页。第二十六页，共56页。5)板上的走线许多EDA工具(如protel)都有自动布线功能。但为了有可靠的，EMC性能好的PCB走线，还是倾向于手工布线。λ/20原则： 根据天线理论知道，天线长度都设计为对应特定的频率，对应于波长1/4或1/2，以成为一个有效的发射器。故在PCB走线长度上，要求其长度小于λ/20，λ是其上信号频率的对应波长，包括地线、电源线。可靠性设计基本方法——EMC第二十七页，共56页。第二十七页，共56页。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?????????差别不大说明电感成份为主导可靠性设计基本方法——EMC第二十八页，共56页。第二十八页，共56页。3-W原则线条之间的距离（从中心线到中心线）必须≥3倍的线宽。两条迹线之间离开的距离应当≥单条迹线的2倍宽度。

以减少线间的串扰（容性耦合和感性耦合）可靠性设计基本方法——EMC第二十九页，共56页。第二十九页，共56页。电源与地线尽量按“镜像层”走线，以减少辐射的环面积。可靠性设计基本方法——EMC第三十页，共56页。第三十页，共56页。△自身的辐射以及接收外来辐射。不仅线要短更进一步“回路面积最小”。在高速（高频）电路中，将不用的区域全部用“地”覆盖，可以减少EMI。多层板中专门设置一个地面层，如果条件允许的话。电源线和地线要尽量宽。走线不能直角转向，应用45角或圆弧过渡。双面板时，地线布于BottomLayer，且在电路板的最边缘，起一个抗静电和屏蔽保护作用；电源线布上层Toplayer。这两种线在条件允许时应尽可能粗宽。可靠性设计基本方法——EMC第三十一页，共56页。第三十一页，共56页。PCB布线时的单位有两种： a.英制，1mil=英吋=×25.4mm=0.025mm b.公制mm，millimeter——助记 最小细宽达到8mil0.2mm地线一般采用“C”形布线，不要形成闭合的地线，且地线的引入一般在C的中间，这样可避免产生电压差。可靠性设计基本方法——EMC第三十二页，共56页。第三十二页，共56页。晶体振荡器外壳接地（晶体卧式布置）尽量采用SMD（SurfaceMountDevice）表面贴元器件，以减少引脚电感等不利影响。采用SMT（SurfaceMountTechnology）可靠性设计基本方法——EMC第三十三页，共56页。第三十三页，共56页。6）充分认识到元器件在高频时的特性以及带来的EMC不利影响。

以下图重新板书可靠性设计基本方法——EMC第三十四页，共56页。第三十四页，共56页。7）去耦电容问题——

如下图所示，数字电路（包括某些模拟电路，A/D，D/A）在输出状态发生变化时，如“0”→“1”，“1”→“0”都会引起芯片供电流i(t)的变化，这样变化会引起以下问题。可靠性设计基本方法——EMC第三十五页，共56页。第三十五页，共56页。（1）？引起电源的波动——为什么？让学生思考并从稳压电流特性上来分析（静态动态）电流波动太大时，会引起其它芯片的误动作。1)理想的电源特性是什么？可靠性设计基本方法——EMC第三十六页，共56页。第三十六页，共56页。2)实际的呢？？？？？？

用一个齐纳管的第三象限曲线说明。可靠性设计基本方法——EMC第三十七页，共56页。第三十七页，共56页。（2）在电源线和地线上产生噪声，∵导线有电感，变化的i(t)VL=L噪声对模拟电路引入误差，对数字电路产生干扰。 解决的办法是加上“去耦电容”.VCC——地之间（a）小规模IC芯片，n片为一组，加上（b）中规模，或是i(t)较大的IC芯片，一片上就要加上。可靠性设计基本方法——EMC第三十八页，共56页。第三十八页，共56页。（c）大规模IC芯片，有多个“电源——GND”引脚的，在成对的“VCC——GND”之间加上可靠性设计基本方法——EMC第三十九页，共56页。第三十九页，共56页。▲电容值多大？何种电容？△I——IC芯片状态发生变化时，电源引脚上电流的变化值，△I01和△I10 显然△I=max(△I01，△I10)，可查Datasheet，specifications获得。△t——IC芯片状态翻转的上升沿上升时间tr或下降沿下降时间tfall.(“10%——90%对原点)△V——IC芯片允许的电源电压值的变化。 何种——瓷片！可靠性设计基本方法——EMC第四十页，共56页。第四十页，共56页。▲不想计算时，人们习惯上每个IC芯片的VCC——GND之间都放一个0.01F的瓷片电容。▲▲更多地是一个大电容1F~10F的钽电容（铝电解电容在低成本时也可考虑，但其内感太大）和一个小瓷片0.01F电容的并联，且电容引脚尽量短。两电容相差100倍！大电容——低频扰动“储能电容”小电容——高频扰动可靠性设计基本方法——EMC第四十一页，共56页。第四十一页，共56页。▲▲▲除IC芯片外，整板或是板上每组电源的输出处也装此电容。 每个电容都存在自谐振问题电容与其高频电感（内部电感）发生串联谐振。串联谐振点以下电容为容性，对“高频”有滤除作用，高于谐振点，电容呈现感性，有大电抗，对“高频”滤波作用大大下降。可靠性设计基本方法——EMC第四十二页，共56页。第四十二页，共56页。下表列出了带有6.4mm导线陶瓷电容的自谐振频率。

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 而同一种电容，若是SMD器件，其fr可高达普通（上表中）的10倍！

画29页图可靠性设计基本方法——EMC第四十三页，共56页。第四十三页，共56页。 单个f2，10×f2以上阻抗就大，无滤波作用， 单个f1，0.1~f1处阻抗就大，无低频滤波作用 C1//C2从0.1~f3处均为容性，可靠性设计基本方法——EMC第四十四页，共56页。第四十四页，共56页。8）集成电路速度与EMI问题。前面讨论过，集成电路的功耗pf2

为减小发热，↘f，尽可能用低速器件，同样，为了减少集成电路引起的EMI，也要求条件允许时，尽可能用低速器件。集成电路速度用tr，tf表示。当从“0”→“1”时可引起①电源电流变化，→前已讨论，加去耦电容。②向空中引起辐射!频带会很宽!可靠性设计基本方法——EMC第四十五页，共56页。第四十五页，共56页。▲用(t)来理解:▲传导干扰随频率成正比增加，而辐射干扰则随频率平方而增加。 上升沿引起的辐射带宽BW与上升沿的关系为：BW=1/tr 实际的辐射频率范围可达到BW的10倍以上。如tr=2ns，BW=159MHz，实际辐射份量在10BW1.6GHz上也可存在！可靠性设计基本方法——EMC第四十六页，共56页。第四十六页，共56页。▲各种逻辑器件族单个门的典型特性见《电磁兼容设计》TN0320P.44表3.1▲▲有GB4588.3——88《印刷电路板设计和使用》。Ch.6——印刷电路板的布局设计。可靠性设计基本方法——EMC第四十七页，共56页。第四十七页，共56页。(P31.反页)板上的三层“图”——①走线图②阻焊图③丝网印刷文字符号图(层)可靠性设计基本方法——EMC第四十八页，共56页。第四十八页，共56页。△新型片式器件的发展态势——片式阻容元件到1005型更小，片式的IC——I/Opins已达上百个，pins的中心间距小到0.3mm——0.2mmSMT的DC/DC变换器，采用先进的混合集成技术制作，尺寸只有传统厚膜集成同类产品的1/3~1/5。片式R网络，片式C网络，片式RC滤波器，片式晶体振荡器。可靠性设计基本方法——EMC第四十九页，共56页。第四十九页，共56页。9）带EMI滤波器的连接器。（1）EMI滤波器AC220V电源插头（座）（前已介绍）（2）馈通滤波器适合于安装在屏蔽体上，具有很好的高频滤波效果。本来按屏蔽体连续性和完整性要求，导 线、电缆是不应穿过屏蔽体的，因为有孔缝。但实际情况做不到这点，所以，选用馈通滤波器把接收到的干扰通过滤波器滤除到接地的屏蔽体上，从而避免干扰。（3）滤波器连接器 有扁平电缆用的，有类似于航空插头插座式的。▲介绍北京那家公司的技术和产品。可靠性设计基本方法——EMC第五十页，共56页。第五十页，共56页。10）铁氧体EMI抑制元件（1）铁氧体材料是一种“有耗”器件，正是“有耗”性能使其将电磁干扰吸收后转化为热损耗，从而起到滤波作用。（2）制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为黑灰色。分子结构为Mo.Fe2O3，其中M