UPS不间断电源PCB电磁兼容设计案例

### UPS不间断电源PCB电磁兼容设计案例 #### EMI产生的根源 EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰）在UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）系统中是一个不可忽视的问题，它不仅会影响UPS本身的稳定性，还可能对其它电子设备造成干扰。EMI主要来源于两个方面： 1. **切换式电源的动作**：由于切换电源的工作原理，在其开关动作（如开启和关闭）过程中会产生杂讯电压。这些动作通常表现为方波形式，方波含有丰富的高次谐波成分。 - **方波波形的频谱**：假设占空比\( d = \frac{t_0}{T} \)，则方波可以表示为一系列的正弦波叠加。具体来说，可以表示为： \[ V(t) = d\left(1 + 2A_1\cos(w_0t) + 2A_2\cos(2w_0t) + \ldots\right) \] 其中，\( w_0 = \frac{2\pi}{T} \)，而系数\( A_k = \frac{\sin(k\pi d)}{k\pi d}, k = 1, 2, \ldots \)。这表明方波除了基频之外，还包含许多高次谐波，尤其是3次和5次谐波最为显著。 2. **快速变化的电压和电流**：在切换式电源中，当电晶体或二极管由开转关或由关转开时，会导致电压和电流快速变化（即di/dt和dv/dt）。根据法拉第感应定律，这些变化会产生噪声电压\( V_n = L\frac{di}{dt} \)，其中\( L \)为电感，包括变压器的漏感以及PCB布线中的电感部分。此外，根据电磁场理论，一个携带电流的环形导体可以等效为一个短的磁偶极子，其产生的电磁场强度与磁矩（即电流与环面积的乘积）成正比。例如，50kHz的1A电流通过面积为1cm²的载流环，在1m远处产生的电场和磁场强度分别为9dBuV/m和23dBuA/m，而在300kHz条件下，相同的电流和面积产生的电场和磁场强度分别为25dBuV/m和23dBuA/m。因此，减小电流环的面积可以有效降低其产生的电场和磁场强度。 #### EMI的传播方式和途径 EMI干扰信号可以分为两种类型：共模信号和差模信号。这两种信号的传播方式和应对策略有所不同。 1. **共模信号**：指在两条回路导线中流向相同的干扰信号，如图4.2.1所示。这种信号在传输过程中容易影响其它设备。 2. **差模信号**：指在两条回路导线中流向相反的干扰信号，如图4.2.2所示。差模信号同样会对其他设备造成干扰。 UPS产生的EMI干扰信号主要通过以下三种途径向外传播： 1. **通过输入电源线反馈到AC电源**：UPS内部产生的干扰信号\( V_n \)可以通过输入电源线反馈到AC电源输入端，进而影响同一电源线上的其他设备。 2. **直接辐射至空间**：UPS内部的干扰信号可以直接以电磁波的形式辐射至周围环境，影响附近的电子设备。 3. **输出涟波杂讯**：输出涟波杂讯是指输出电压中的差模成分，可通过优化滤波电路来减少。 #### 针对UPS EMI的对策方案和经验 为了有效抑制EMI的影响，PCB Layout设计至关重要。以下是一些具体的对策： 1. **PCB Layout原则**： - 将控制信号的地和大电流信号的地分开，避免信号干扰。 - 输入线和输出线、输入线和电池线、输出线和电池线尽量分开布置，避免相互干扰。 - 地线应尽可能加粗，并且避免形成地环路，以减少地线阻抗。 - 对于承载高频信号的线路，需要特别注意布线路径和长度，以减少辐射和反射。 2. **元件配置**： - 输出电流必须靠近滤波电容的端子，以减少额外的电感和提高滤波效果。 - 对于电晶体在开关瞬间产生的突波噪声，可以通过添加合适的滤波器或吸收电路来减少。 UPS的EMC设计需要从源头出发，通过对EMI产生的根源进行深入分析，并采取有效的PCB Layout和元件配置策略，来最大程度地减少EMI的影响，确保UPS系统的稳定运行和兼容性。