PCB电路设计滤波考虑

1. 1.1 PCB电路设计滤波考虑
   浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号,其特点是作用时间极短,但电压幅度高、瞬态能量大.瞬态干扰会造成单片开关电源输出电压的波动;当瞬态电压叠加在整流滤波后的直流输入电压VI上,使VI超过内部功率开关管的漏-源击穿电压V(BR)DS时,还会损坏TOPSwitch芯片,因此必须采用抑制措施.通常,静电放电(ESD)和电快速瞬变脉冲群(EFT)对数字电路的危害甚于其对模拟电路的影响.静电放电在5 — 200MHz的频率范围内产生强烈的射频辐射.此辐射能量的峰值经常出现在35MHz — 45MHz之间发生自激振荡.许多I/O电缆的谐振频率也通常在这个频率范围内,结果,电缆中便串入了大量的静电放电辐射能量.当电缆暴露在4 — 8kV静电放电环境中时,I/O电缆终端负载上可以测量到的感应电压可达到600V.这个电压远远超出了典型数字的门限电压值0.4V.典型的感应脉冲持续时间大约为400纳秒.将I/O电缆屏蔽起来,且将其两端接地,使内部信号引线全部处于屏蔽层内,可以将干扰减小60 — 70dB,负载上的感应电压只有0.3V或更低.电快速瞬变脉冲群也产生相当强的辐射发射,从而耦合到电缆和机壳线路.电源线滤波器可以对电源进行保护.线 — 地之间的共模电容是抑制这种瞬态干扰的有效器件,它使干扰旁路到机壳,而远离内部电路.当这个电容的容量受到泄漏电流的限制而不能太大时,共模扼流圈必须提供更大的保护作用.这通常要求使用专门的带中心抽头的共模扼流圈,中心抽头通过一只电容(容量由泄漏电流决定)连接到机壳.共模扼流圈通常绕在高导磁率铁氧体芯上,其典型电感值为15 ~ 20mH.
   滤波器,切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径,与屏蔽共同够成完善的电磁干扰防护,无论是抑制干扰源、消除耦合或提高接收电路的抗能力,都可以采用滤波技术.针对不同的干扰,应采取不同的抑制技术,由简单的线路清理,至单个元件的干扰抑制器、滤波器和变压器,再至比较复杂的稳压器和净化电源,以及价格昂贵而性能完善的不间断电源,下面分别作简要叙述.
   属瞬变干扰抑制器的有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变吸收二极管和固体放电管等多种.其中金属氧化物压敏电阻和硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管,是箝位型的干扰吸收器件;而气体放电管和固体放电管是能量转移型干扰吸收器件(以气体放电管为例,当出现在放电管两端的电压超过放电管的着火电压时,管内的气体发生电离,在两电极间产生电弧.由于电弧的压降很低,使大部分瞬变能量得以转移,从而保护设备免遭瞬变电压破坏).瞬变干扰抑制器与被保护设备并联使用.
   气体放电管也称避雷管,目前常用于程控交换机上.避雷管具有很强的浪涌吸收能力,很高的绝缘电阻和很小的寄生电容,对正常工作的设备不会带来任何有害影响.但它对浪涌的起弧响应,与对直流电压的起弧响应之间存在很大差异.例如90V气体放电管对直流的起弧电压就是90V,而对5kV/μs的浪涌起弧电压最大值可能达到1000V.这表明气体放电管对浪涌电压的响应速度较低.故它比较适合作为线路和设备的一次保护.此外,气体放电管的电压档次很少.
   压敏电阻是目前广泛应用的瞬变干扰吸收器件.描述压敏电阻性能的主要参数是压敏电阻的标称电压和通流容量即浪涌电流吸收能力.前者是使用者经常易弄混淆的一个参数.压敏电阻标称电压是指在恒流条件下(外径为7mm以下的压敏电阻取0.1mA;7mm以上的取1mA)出现在压敏电阻两端的电压降.由于压敏电阻有较大的动态电阻,在规定形状的冲击电流下(通常是8/20μs的标准冲击电流)出现在压敏电阻两端的电压(亦称是最大限制电压)大约是压敏电阻标称电压的1.8_{2倍(此值也称残压比).这就要求使用者在选择压敏电阻时事先有所估计,对确有可能遇到较大冲击电流的场合,应选择使用外形尺寸较大的器件(压敏电阻的电流吸收能力正比于器件的通流面积,耐受电压正比于器件厚度,而吸收能量正比于器件体积).使用压敏电阻要注意它的固有电容.根据外形尺寸和标称电压的不同,电容量在数千至数百pF之间,这意味着压敏电阻不适宜在高频场合下使用,比较适合于在工频场合,如作为晶闸管和电源进线处作保护用.特别要注意的是,压敏电阻对瞬变干扰吸收时的高速性能(达ns)级,故安装压敏电阻必须注意其引线的感抗作用,过长的引线会引入由于引线电感产生的感应电压(在示波器上,感应电压呈尖刺状).引线越长,感应电压也越大.为取得满意的干扰抑制效果,应尽量缩短其引线.关于压敏电阻的电压选择,要考虑被保护线路可能有的电压波动(一般取1.2}1.4倍).如果是交流电路,还要注意电压有效值与峰值之间的关系.所以对 220V线路,所选压敏电阻的标称电压应当是220×1.4×1.4≈430V.此外,就压敏电阻的电流吸收能力来说,1kA(对8/20μs的电流波)用在晶闸管保护上,3kA用在电器设备的浪涌吸收上;5kA用在雷击及电子设备的过压吸收上;10kA用在雷击保护上.压敏电阻的电压档次较多,适合作设备的一次或二次保护.