辐射电磁干扰噪声毕业论文

在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析: 一、从原理图到PCB的设计流程建立元件参数－输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计－复查-CAM输出。 二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。 焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。 三、元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路： (1).电源开关交流回路 (2).输出整流交流回路 (3).输入信号源电流回路 (4).输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下： ·放置变压器 ·设计电源开关电流回路 ·设计输出整流器电流回路 ·连接到交流电源电路的控制电路 ·设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： (1)首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。 (2)放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集. (3)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。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,去耦电容尽量靠近器件的VCC。 (4)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。 (5)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。 (6)布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。 (7)尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。 四、布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点： 1.正确选择单点接地通常，滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。在本开关电源中，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地，即将电源开关电流回路（中的几个器件的地线都连到接地脚上，输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上，这样电源工作较稳定，不易自激。做不到单点时，在共地处接两二极管或一小电阻，其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。 2.尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，如有可能，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。进行全局布线的时候，还须遵循以下原则： (1).布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。 (2).设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应≥90度,力求线条简单明了。 (3).印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。因采用单面板，直插元件位于top面，表贴器件位于bottom面，所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠，但要避免焊盘重叠。 3．输入地与输出地本开关电源中为低压的DC－DC，欲将输出电压反馈回变压器的初级，两边的电路应有共同的参考地，所以在对两边的地线分别铺铜之后，还要连接在一起，形成共同的地。 五、检查布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。注意：有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。 六、复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。 七、设计输出输出光绘文件的注意事项： a.需要输出的层有布线层（底层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（底层阻焊）、钻孔层（底层），另外还要生成钻孔文件（NCDrill） b.设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Linec.在设置每层的Layer时，将BoardOutline选上，设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line。d.生成钻孔文件时，使用PowerPCB的缺省设置，不要作任何改。

[论文关键词]铁路 电力 远动终端 干扰 [论文摘要]研究分析电磁干扰产生的原因、特点及干扰对电力远动系统的影响，从设计的角度对铁路电力远动监控系统进行抗干扰分析研究。 抗干扰设计是电力远动监控系统安全运行的一个重要组成部分，在研制综合自动化系统的过程中，如果不充分考虑可靠性问题，在强电场干扰下，很容易出现差错，使整个电力远动监控系统无法正常运行或出错误（误跳闸事故等），无法向站场和区间供电，影响铁路行车安全。 一、电磁干扰产生的原因及特点 （一）传导瞬变和高频干扰 1．由于雷击、断路器操作和短路故障等引起的浪涌和高频瞬变电压或电流通过变（配）电所二次侧进入远动终端设备，对设备正常运行产生干扰，严重还可损坏电路。2．由电磁继电器的通断引起的瞬变干扰，电压幅值高，时间短、重复率高，相当于一连串脉冲群。3．铁路电力供电中，特别是现代高速铁路对电力要求都比较高，一般都是几路电源供电，母线投切转换比较频繁，振荡波出现的次数较多。 （二）场的干扰 1．正常情况下的稳态磁场和短路事故时的暂态磁场两种，特别是短路事故时的磁场对显示器等影响比较大。2．由于断路器的操作或短路事故、雷击等引起的脉冲磁场。3．变电所中的隔离开关和高压柜手车在操作时产生的阻尼振荡瞬变过程，也产生一定的磁场。4．无线通信、对讲机等辐射电磁场对远动终端会产生一定的干扰，铁路中继站通常会和通信站在一处，通信发射塔对中继站电力远动终端设备的干扰比较大。 （三）对通信线路的干扰 1．铁路变电所远动终端的数据由串口通信经双绞线进入车站通信站，再经过转换成光信号沿铁通专用通信光缆送至电力远动调度中心，遥信和遥控数据在变电所到通信站的过程走的是电信号，由于变电所高低压进出线缆很多，远动终端受的干扰比较大。2．中继站一般距铁路都比较近，列车通过时的振动对远动终端设备有一定的干扰。 （四）继电器本身原因 继电器本身可能由于某种原因一次性未合到位而产生干扰的振动信号，或负荷开关、断路器、隔离开关等二次侧产生振动信号。 二、干扰对电力远动系统的影响 无论交流电源供电还是直流供电，电源与干扰源之间耦合通道都相对较多，很容易影响到远动终端设备，包括要害的CPU；模拟量输入受干扰，可能会造成采样数据的错误，影响精度和计量的准确性，还可能会引起微机保护误动、损坏远动终端设备和微机保护部分元器件；开关量输入、输出通道受干扰，可能会导致微机和远动终端判断错误，远动调试终端数据错误远动终端CPU受干扰会导致CPU工作不正常，无法正常工作，还可能会导致远动终端程序受到破坏。 三、抗干扰设计分析 （一）屏蔽措施 1．高压设备与远动终端输入、输出采用有铠装（屏蔽层）的电缆，电缆钢铠两端接地，这样可以在很大程度上减小耦合感应电压。2．在选择变电所和中继站电力设备时尽量选设有专门屏蔽层的互感器，也有利于防止高频干扰进入远动终端设备内部。3．在远动终端设备的输入端子上对地接一耐高压的小电容，可以有效抑制外部高频干扰。 （二）系统接地设计 1．一次系统接地主要是为了防雷、中性点接地、保护设备，合适的接地系统可以有效的保障设备安全运行，对于断路器柜接地处要增加接地扁铁和接地极的数量，设备接地处增加增加接地网络互接线，降低接地网中瞬变电位差，提高对二次设备的电磁兼容，减少对远动终端的干扰。2. 二次系统接地分为安全接地和工作接地，安全接地主要是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时，遭受触电危险和保证设备安全，将设备外壳接地，接地线采用多股铜软线，导电性好、接地牢固可靠，安全接地网可以和一次设备的接地网相连；工作接地是为了给电子设备、微机控制系统和保护装置一个电位基准，保证其可靠运行，防止地环流干扰。3．由于高低压柜本身都是多都是采用镀锌薄钢板材料，本身也有屏蔽作用，将高低高柜都可靠接地。4．远动终端微机电源地和数字地不与机壳外壳相连，这样可以减小电源线同机壳之间的分布电容，提高抗共模干扰的能力，可明显提高电力远动监控系统的安全性、可靠性。 （三）采取良好的隔离措施 1．为避免远动终端自身电源干扰采取隔离变压器，电源高频噪声主要是通过变压器初、次级寄生电容耦合，隔离变压器初级和次级之间由屏蔽层隔离，分布电容小，可提高抗共模干扰的能力。2．电力远动监控系统开关量的输入主要断路器、隔离开关、负荷开关的辅助触点和电力调压器分接头位置等，开关量的输出主要是对断路器、负荷开关和电力调压器分接头的控制。3．信号电缆尽量避开电力电缆，在印刷远动终端的电路板布线时注意避免互感。4．采用光电耦合隔离，光电耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻大，且输入/输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，因此回路一侧的干扰很难通过光耦送到另一侧去，能有效地防止干扰从过程通道进入主CPU。 （四）滤波器的设计 1．采用低通滤波去高次谐波。2．采用双端对称输入来抑制共模干扰，软件采用离散的采集方式，并选用相应的数字滤波技术。 （五）分散独立功能块供电，每个功能块均设单独的电压过载保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，也减少了公共阻抗的相互耦合及公共电源的耦合，大大提高供电的可靠性。 （六）数据采集抗干扰设计 1．在信息量采集时，取消专门的变送器屏柜，将变送器部分封装在RTU内，减少中间环节，这样可以减少变送器部分输出的弱电流电路的长度。2．遥信由于合闸一次不到位或由于二次侧振动而产生的误遥信干扰信号，并且还会产生尖脉冲信号，也可能对遥信回路产生干扰误遥信号。 （七）过程通道抗干扰设计 （八）印刷电路板设计。在印刷电路板设计中尽量将数字电路地和模拟地电路地分开；电源输入端跨接10～100μF的电解电容。 （九）控制状态位的干扰设计 （十）程序运行失常的抗干扰设计 （十一）单片机软件的抗干扰设计 （十二）对于终端至通信站的数字通信电缆加穿钢管，特别是穿越其他电力电缆时，避免和其他电力电缆等同沟敷设并保持一定的交叉距离。 （十三）对于特殊的变（配）电所或区间信号站的环境 （十四）提高远动信息传输的可靠性，在电力调度中心和远动终端之间建立出错重发技术直到住处确认信息为止。