2007-04-03
５ 模拟电路设计 |
７.接口电路设计： |
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楼主 2007/4/3 20:16:47
８．电源设计：
开关电源是３０ＭＨｚ以下传导和辐射噪声的主要来源。当小输出电流工作时，线性电源会产生“汽船声”即（产生低频锯齿波），而当用长线驱动较差的旁路负载时，还可能振荡。另一个问题是，当输入输出端隔离较差时，会使电流线噪声进入产品，并使产品噪声增加。这些问题可以通过适当选择元器件、仔细布线、旁路良好、滤波以及屏蔽等方法加以解决。
图８－１给出线性电源原理图。变压器Ｔ１升高或降低线路电压，并提供初次级隔离，ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３和ＣＲ４对次级电压整流并对滤波电容器充电，Ｖref为Ｑ１的偏置电压，用来稳定输出电压Ｖout=Vref-Vbe(Q1)，图８－２表示电源的高频模型——由ＨＩ至Ｖout，以及由ＬＯ至Ｖout，此电源有１３pＦ串联电容和５０pＦ关联电容，所以大约２０％的电源线噪声将到达产品中，而且反之亦然。
图8-1 线性电源原理图
图８－２ 基本线性电源的高频模型
在大多数交流电源线上，高频噪声是极普遍的。大约平均每数分钟可观察到一次２００Ｖ尖峰，每天可观察到一次４００Ｖ尖峰，每年一次１０００Ｖ尖峰，在雷电高发区，室内平均每天能观察到１０００Ｖ尖峰约两次，每年能观察到５０００Ｖ尖峰的一次。办公室和车间附近有电动机时将产生１５００Ｖ至２５００Ｖ尖峰，将有更多噪声。雷电可以将１０至２０ＫＶ尖峰置于室外电源线上，而将２至６ＫＶ尖峰置于室内电源线上（限于墙上电源插孔的电弧过电压６ＫＶ）。作为一般规则，电源应当能经受３ＫＶ尖峰噪声而不被损坏，而高可靠性电源则应安全经受６ＫＶ尖峰噪声。
汽车引起的环境电磁干扰也很严重，发动机由满载突然下降，能产生＋１２０Ｖ尖峰。电感性负载的开与关能产生－３００Ｖ～＋８０Ｖ尖峰。成束导线中，导线之间的耦合能产生＋２００Ｖ尖峰，而点火装置突然熄火，将产生－１００尖峰。通常条件下，都伴随有±１.５Ｖ噪声，而点火系统伴随有±７.５Ｖ。
电子设备防护电源线尖峰干扰的一种方法是采用浪涌吸收器，例如，我的家用计算机、打印机、彩色监视器，以及绘图仪都插入六插口“电源浪涌吸收器”。我的系统将和未加防护器时一样正常的工作，但我喜欢所提供的附加防护。这个特殊的单元包含金属氧化物压敏电阻器，它是一种非线性电阻器。浪涌吸收器的其它类型有，碳化硅压敏电阻器、齐纳二级管、气体放电管等。表８－１列出了这些器件的主要性质。
表８－１ 浪涌吸收器的尖峰抑制特性
器件类型 击穿电压 非线性a＊ 额定电流（Ａ） 电容量 响应时间
气体放电管
压敏电阻器
碳化硅可变电阻
Ｓurgector/Thy Zorb
Transzorb
齐纳二极管 70-40，000
6-4700
9-1000
5-600
6-500
1-700 -
15-30
2-7
-
≈35
30-100 1000-10，000
10-70，000
1-1000
5-3500
2-2000
1-500 0.5-10
10-33,000
30-4000
90-200
10-90,000
2-60,000 50-5000
＜1-50
300-10，000
10-10，000
＜1-10
＜1-25
*I=KVa（A）
电源中的整流器导通时产生电压尖峰，截止时产生电流尖峰。采用软恢复整流器或高额定电压和电流整流器。其它可以采用的方法有，限制通过整流器的电流（图８－３(a)），降低整流器电流变化的速率（图８－３(b)）及（c)),或用高质量旁路电容器吸收尖峰（图８－３（d)和（e））。肖特基二级管整流器则需采用ＲＣ缓冲器，防止整流器截止时出现振铃（图８－３(f)）。图８－３(a)、(b)、(c)和（e）中的尖峰掏器也能抑制外部噪声，或将外部噪声旁路至地，增加电源的输入输出隔离，并降低产品对噪声的敏感度。（注：开关电源中的二级管必须比开关三级管截止得更快，或电源能自行抑制其自身产生的噪声尖峰。）
图８－３ 减小整流器的通断瞬态效应 
图８－４ 在原边抑制噪声
让我们看看，应如何验证图８－１中电源存在的噪声。我们最大的问题是电源噪声，因为它能损伤产品。图８－４（a）为典型的民用电源线滤波器。Ｌ１和Ｌ２抑制高频噪声，Ｃ２和Ｃ３旁路高频差模噪声，而Ｃ４和Ｃ５旁路高频共模噪声。典型值是Ｌ１＝Ｌ２＝１.８～４７mＨ，Ｃ２＝Ｃ３＝０.１～２μＦ，而Ｃ４＝Ｃ５＝０.５mＡ。我们还需要一个阻值为Ｒ１＜０.４ΩＦ／（Ｃ２＋Ｃ３）的泄放电阻，为Ｃ２和Ｃ３放电。（注：滤波器的谐振频率必须低于开关频率。）
有时我们只需要进行少量的滤波，图８－４（b）的电路就足以工作。Ｃ３是低质或塑料电容器，Ｃ４和Ｃ５是标准１.４ＫＶ瓷片电容器。Ｒ２和Ｒ３是碳膜电阻器。这个电路可以安装在接线板或印制板上，但应使电容器引线尽可能短。在电源线滤波器中采用的所有元件应当能经受住滤波器额定交流电压的两倍和额定交流电流的两倍。对于线性电源，滤波器的截止频率应当至少是最高交流输入频率的１.５倍。
我们也可以将电源变压器屏蔽起来。常规的变压器有１０至５０pＦ匝间电容。法拉第屏蔽变压器的屏蔽壳于直流地之间（图８－５（a））有≈０.0１１pＦ匝间电容。对于双侧屏蔽变压器，其初级屏蔽应当接大地，而次级屏蔽应接至直流地。法拉弟屏蔽变压器将使噪声问题确定，为此可使用中心抽头隔离变压器，如图８－５（b)所示。如果只需要少许减少匝间电容，也可试用分裂式变压器和环形变压器。 
图８－７ 噪声抑制线性电源的高频模型
现在让我们看看，我们能在电源次级做些什么（图８－６）。我们可以将铁氧体磁珠套在变压器引线上，抑制噪声尖峰，减缓充电电流脉冲，并减少整流截止尖峰。我们可以用压敏电阻Ｒ１将高压尖峰箝位，用小电容Ｃ６和Ｃ７将高频噪声旁路至地。要减小电源输出的噪声，可附加馈通电容器Ｃ８和铁氧体磁珠Ｌ５。（注：Ｌ３和Ｌ４对低阻抗负载很有效）
图８－７为全部噪声抑制的电源的高频模型。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４和Ｌ５可以阻挡电源线至产品的高频噪声。Ｒ１将高压尖峰箝位，而Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７和Ｃ８将高频噪声旁路。非常小的噪声将通过电源电路，但必须使交流线路远离直流线路，使输入和输出保持隔离。
由于开关晶体管和散热器之间的电容性耦合，开关电源可能发射过量的噪声。将在云母绝缘片上的ＴＯ－３晶体管有１００至２５０pＦ寄生电容。在晶体管和散热器之间设置屏蔽，并将屏蔽接至直流地，可将此电容减小至１pＦ。一种称为“Ｓil-Pad屏蔽“的专用绝缘材料就是为此目的设计的。
可以对高频和低频电路分别使用电源。同样，如果产品具有高压和低压电路，为了隔离低压电路应当采用自己的电源或采用调压器。如果电源不带遥控，电源端口之一应当接至机壳地。如果带遥控的电源用来驱动单一的负载，负载端口之一应接至机壳地。如果带遥控的电源驱动多个负载，应将敏感点之一接至机壳地。
１９８０年我研制了一台电源测试仪，并发现电源的＋５Ｖ输出在＋５.１Ｖ和６.５Ｖ之间变化。用示波器观察＋５Ｖ输出，我看到一个锯齿波，在１００～２００ms内降至＋５.1Ｖ，然后在５０μＳ内跳于６.０～６.５Ｖ。这种现象可说明如下：（１）输出电压太高，所以导通的晶体管被截止；（２）输出电压逐渐降至＋５.１Ｖ，晶体管开始导通；（３）输出端立刻向输出电容充电，超过一定电压后，导通晶体管再次被截止。当我询问设计者时，他告诉我，＋５Ｖ输出是为１００mＡ和２００μＦ最小负载设计的。所以我加了一个２２０μＦ电容器和５０Ω电阻在测试仪上。至今该测试仪已良好地测试了１００，０００台电源，没有发现其它干扰问题。
９、分隔
分隔就是电子系统中决定什么应当去何处的处理。我们能够通过控制共阻抗耦合、电感性耦合、电容性耦合和天线效应，将产生噪声的电路和敏感电路分隔开来，使噪声和干扰问题最小。无们应当（１）使小功率（敏感）电路紧紧靠近信号源，（２）使大功率（产生噪声）电路紧紧靠近负载，（３）尽可能分开小功率电路和大功率电路，（４）使导线尽可能短，（５）使电流环路尽可能小。
我们从将电路划分为五类开始：（１）灵敏的高阻抗电路（｜Ｚ｜≥３７６.７Ω，属于电容耦合），（２）灵敏的低阻抗电路（｜Ｚ｜≥３７６.７Ω，属于电感性耦合），（３）中等灵敏／中等功率电路，（４）高压电路，以及（５）大电流电路。模拟电路通常属于前两类。我们能安全地将同一类中的电路进行组合，但必须使高阻抗电路远离高压电路，使低阻抗电路远离大电流电路。通常，汉我们必须连接不同尖的电路时，互连信号应当具有中等灵敏度和中等功率。
一个给定的电路组合中的电路应当具有相同的输入／输出要求和相同的噪声特性。这个要求将大多数系统划分为模拟、数字、电流和电磁设备／驱动器等组件。我们也应将高频和低频电路分入不同的组件。每个组件应尽可能小而且简单，并接入自身的电源／接地系统。组件中的导线应当设计成低阻抗，使电流环路尽可能小。
安装变压器、螺线管和其它电磁器件时，应使它们的磁场彼此正交，并远离电缆。电缆应设计成最小长度、最小阻抗、和最小环路面积。用于高速逻辑电路的电缆应至少将屏蔽层的五分之一接地；用于中速或低速逻辑电路的电缆至少应将屏蔽层的十分之一接地。要使敏感电路和它们的电缆远离其它电路，并使系统的支撑结构提供屏蔽，将组件的接地系统连接到唯一的单点，并将接地的屏蔽体包围高阻抗电路和高压电路。
１０.接地 |
楼主 2007/4/3 20:17:52
１１ 搭接
搭接是导体间稳定的连接，就电流路径来说，其电阻可以忽略。好的搭接其电阻为0.5mΩ和电感为２５nＨ，而对射频电流来说，频率直至２０ＭＨｚ时，搭接电阻为８０mΩ。最好的搭接是直接的、永久的和相同金属－金属的接触，是通过钎焊、铜焊、银焊等焊接的办法使其搭接起来，焊缝的长度要大于导体的重叠部分。雷电保护接地系统至少采用１２号铜线或１０号铝线，且搭接截面积≥５mm２。（注：软焊搭接不允许用于雷电保护系统）
金属－金属间直接压制搭接是第二个最好方法。导体搭接面的制作是：
１、用铁刷子、钢丝棉或研磨料（７／１０金刚砂纸）打磨清洁搭接面，但要清洁比搭接面大５０％；
２、擦去碎屑；
３、用溶剂清洁表面；
４、用干净棉布擦干表面。
经处理后，搭接表面应是清洁和光亮的。清洁的表面应在１小时内，用螺栓、铆钉或机械螺丝，将导体搭接在一起，搭接压力达８３００至１０３００ＫＰa（对软金属要低压力，即每平方英寸１２００至１５００磅）。螺栓的花兰垫圈或弹簧垫圈要保持紧配合。截面积大于６５０mm２的搭接，其搭接电阻应0.1mΩ。表１１－１列出了最大额定电流和机械螺丝和螺栓使搭接夹紧力矩。
表１１－１ 金属－金属直接搭接的最大电流容量和夹紧力矩 
第三个最好方法是在金属表面上涂导电涂料加压形成。这种搭接的电阻典型值是几个毫欧，但是在１ＭＨｚ时，超过１Ω。可以用镉、锡或银镀在金属上，或用Alodine#1000,Dow#1,Dow#15,Iridite#14,Iridite#18P或Oakite#36涂在金属上。
导电胶可以用于屏蔽室缝隙密封和另外的地方，如可能有一点要移动的地方。掺有碳的环氧树脂，其电阻率为0.1Ω－m，掺有银和金的环氧树脂，其电阻率为１０至５７０００nΩ－m、掺入６０％～７０％（按重量计）时粘着力和电阻率最佳。这些搭接压力大约为６９ＫＰa。
为了使搭接可拆卸或用作减震的组件，用金属搭接条、编织条或导线。搭接条或跨接条既在方便检修，又要防止偶然损坏（同时还要满足空间要求）。搭接条应短而宽，长度比为５以下，优先为３，使接地阻抗最小。接地搭接条决不能串联连结。铜搭接条厚度应小于等于0.1mm，宽应大于等于0.2mm，而铝搭接条厚度应小于等于0.2mm。编织搭接条比实心搭接条柔软，但容易腐蚀和磨损（且高频时，断的编织丝象天线）。接地线至少得用ＡＷＧ１８，且带压扁的端头。“快装”端头对经常不连接的导线是合适的。花兰型衬垫能除去表面的碎屑，帮助形成接触。搭接条或跨接条的谐振频率应至少是最高频率的１６倍。
不要使用自攻螺丝、螺丝、螺母、轴承、铰链或滑动片。因为它们接触不可靠，地电流能引起严重的腐蚀。
粗糙或不平的表面，或接触面处对ＲＦ来说必须是密封的，可以加导电衬垫，必须将其压紧衬垫或粘到一面上，还必须避免损坏。通常，对粗糙表面用窄的法兰，对平滑表面用宽的法兰。
搭接加工后在一个星期内，施加保护层（漆、硅橡胶、油脂），以阻止水汽和气体，同时可防腐蚀。保护层加于搭接的两端，或者只加于阴极处。当两种不同金属接触时，保护层加在阳极处多于阴极处。如果两种金属不同或不是邻近组别的，在搭接处加跨接线、垫圈、螺栓或卡箍，以保护结构。
大多数的接地条、搭接片和导线由铝、镀锡铜或铜制造，这就要求特别注意，使腐蚀最小。
１２ 印制电路板设计
在把系统划分成几个部件和设计接地系统之后，我们必须设计每个部件。要决定如何安装元件、如何耗散元件产生的热、如何与地、电源和其它元件相连。在许多情况下，把每件元件安装在电路板上，要在底板或散热器上安装重、大或大功率的元件。一个简单的部件装在一块印制电路板上，而一个复杂的部件安装于多块印制电路板上，与后面板或“母板”用插头连接。
三种最常用的电路板是绕焊电路板、印制电路板和多层印制电路板。绕焊电路板通常用于样机或有限产品项目，因为容易设计和修改，但难以用于大批量生产，且占的空间大。印制电路板用于批量生产项目、高速系统和空间小的系统。印制电路板是容易装配、紧凑和有好的高频特性。主要缺点是设计花时间，且不易更改设计。多层印制电路板用于小批量产品，占空间更小和好的高频特性，但不可避免的花时间和增加设计成本。
设计印制电路板通常有八个步骤。
１、决定电路板的大小、形状和连接器位置；
２、决定把电路放在何处；
３、决定电路板的电源／接地方案；
４、决定把元件放何处；
５、设计电源和接地的走线；
６、设计时钟线的走线；
７、设计信号线走向；
８、修改设计。
实际设计要求决定印制电路板的大小、形状和连接器的位置。如要你已经选择好了，要用方的印制电路板，不要长的或狭长的形状，因为方的容易设计和制作，印制线应尽可能短。画出印制电路板的草图，标出反面的印制电路板导向件、安装的硬件、连接器和其它占固定位置的元件。
第二步决定电路的布置位置。在草图中，输入／输出电路应邻近连接器，敏感电路应与噪声电路隔离，如图１２－１所示。高速逻辑电路（时间、总线接口逻辑电路）应邻近主连接器，接口电路应邻近接口连接器，模拟电路应与数字电路隔离。大的ＲＡＭ阵列分成两半，中间安装驱动器。还要决定集成电路和其它元件的排列取向。对于双面印制电路板，集成电路应与连接器平行（图１２－２（a）和（b））。对多层印制电路板，集成电路应平行于电路板的长轴方向。 
图12-1 数字电路印制电路板：（a）处理器板，（b）接口板，（c）RAM板 
图12-2 优选的集成电路走向：（a）双面板，（b）双面板，(c）多层板，（d）多层板
第三步是确定电源和接地的安排。有四点：（１）正确安排电源和地面；（２）使用共面线：（３）用扁平母线：（４）用地平面（图１２－３）。共面线用在绕焊电路板和双面电路板（图１４－４）。片状总线能使Ｖcc－地的噪声减小，但要求特殊母线。这些母线应平行于或在集成电路之下，对于0.15～５Ω的电路阻抗来说，应承载2.5～１５Ａ电流，其分布电容为0.001～２μＦ／m，分布电感为３５nH/m。为了减小地噪声，电路板还必须有大的地线，且垂直于母线。 
图12-3 电源/地线：（a）共面线，（b）扁平线，（c）地平面 
图12-4 双面板上电源/地线：（a）fc=5.6MHz,Ls=81nH;
(b)fc=10.4MHz,Ls=23nH;(c)fc=14.0MHz,Ls=13nH;(d)fc=14.5MHz,Ls=12nH
电缆和接口板、承担功率、接地和数据线，在分系统的组件之间，在分系统之间，在系统之间传输。这些信号的电压可能在几毫伏到几千伏之间，电流可以从几毫安到几百安，频率可以从直流到几吉赫，但是这些接线被认为是传送了所有的信号，不能有任何影响。为此，这些连线应认真设计，装配和安装。 |
楼主 2007/4/3 20:19:17
