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1.单片机系统的电磁兼容性设计
2.开关电源的测试
3.常规功能(Functions)测试  
4.电源EMI滤波器的相关参数

5.AC-DC过压保护说明

1.单片机系统的电磁兼容性设计

引 言
  随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域,单片机系统面临着电磁干扰(EMI)日益严重的威胁。电磁兼容性(EMC)包含系统的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符合下面三个条件,则该系统是电磁兼容的:
  ① 对其它系统不产生干扰;
  ② 对其它系统的发射不敏感;
  ③ 对系统本身不产生干扰。
  假若干扰不能完全消除,但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等),就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射,很多电磁发射源,如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中,时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源,这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真,在系统中应该把它们去掉。另外,在单片机系统中,最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。
1 干扰的耦合方式
  (1)传导性EMI
  一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前,用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源,则在电源线进入电路之前必须对其去耦。
  (2)公共阻抗耦合
  当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定,来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制,噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。
  (3)辐射耦合
  经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场,而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。
  (4)辐射发射
  辐射发射有两种基本类型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的,它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言,CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小,必须用切合实际的设计使共模电流降到零。
2 影响EMC的因数

  ① 电压。电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

  ② 频率。高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

  ③ 接地。在所有EMC问题中,主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时,可采用单点接地方法,但不适于高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。

  ④ PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

  ⑤ 电源去耦。当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt产生大范围高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

3 印刷电路板(PCB)的电磁兼容性设计

  PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证明,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,如果印刷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。因此,在设计印刷电路板的时候,应注意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。

3.1 PCB设计的一般原则

  要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB,应遵循以下一般性原则。

  (1)特殊元器件布局
  首先,要考虑PCB尺寸的大小:PCB尺寸过大时,印刷线条长,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。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元器件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

  在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则:
  ① 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。

  ② 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

  ③ 重量超过15 g的元器件,应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印刷板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

  ④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局,应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
  ⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

  (2)一般元器件布局
  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 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。

  ② 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。

  ③ 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。

  ④ 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。

  (3)布线
  布线的原则如下:

  ① 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,最好加线间地线,以免发生反馈耦合。

  ② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于0.1~0.2 mm。

  ③ 印刷导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

  (4)焊盘
  焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0) mm。

3.2 PCB及电路抗干扰措施

  印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。

  (1)电源线设计
  根据印刷线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻;同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

  (2)地线设计
  在单片机系统设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:

  ① 正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1 MHz,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,因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。

  ② 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。

  ③ 接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3 mm。

  ④ 接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印刷电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪能力下降;若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

  (3)退耦电容配置
  PCB设计的常规做法之一,是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容的一般配置原则是:
  ① 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。

  ② 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01 pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10 pF的钽电容。

  ③ 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。

  ④ 电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

  此外,还应注意以下两点:

  ① 在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时,操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2 kΩ,C取2.2~47μF。

  ② CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时,对不用端要接地或接正电源。

  (4)振荡器
  几乎所有的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

  (5)防雷击措施
  室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃至上千A的电流。

结 语

  为了提高单片机系统的电磁兼容性,不仅要合理设计PCB板,而且要在电路结构上及软件中采取相应的措施。实践表明,在单片机系统的设计、制造、安装和运行的各个阶段,都需要考虑其电磁兼容性,只有这样,才能保证系统长期稳定、可靠、安全地运行。


2.开关电源的测试


    良好的开关电源必须符合所有功能规格、保护特性、安全规范(如UL、CSA、VDE、DEMKO、SEMKO,长城等等之耐压、抗燃、漏电流、接地等安全规格)、电磁兼容能力(如FCC、CE等之传导与幅射干扰)、可靠性(如老化寿命测试)、及其他之特定需求等。 

开关电源包括下列之型式:

·AC-DC:如个人用、家用、办公室用、工业用(电脑、周边、传真机、充电器) 
·DC-DC:如可携带式产品(移动电话、笔计本电脑、摄影机,通信交换机二次电源) 
·DC-AC:如车用转换器(12V~115/230V) 、通信交换机振铃信号电源 
·AC-AC:如交流电源变压器、变频器、UPS不间断电源 

开关电源的设计、制造及品质管理等测试需要精密的电子仪器设备来模拟电源供应器实际工作时之各项特性(亦即为各项规格),并验证能否通过。开关电源有许多不同的组成结构(单输出、多输出、及正负极性等)和输出电压、电流、功率之组合,因此需要具弹性多样化的测试仪器才能符合众多不同规格之需求。 

电气性能(Electrical Specifications)测试
当验证电源供应器的品质时,下列为一般的功能性测试项目,详细说明如下: 
 
*功能(Functions)测试:
·输出电压调整(Hold-on Voltage Adjust) 
·电源调整率(Line Regulation) 
·负载调整率(Load Regulation) 
·综合调整率(Conmine Regulation) 
·输出涟波及杂讯(Output Ripple & Noise, RARD) 
·输入功率及效率(Input Power, Efficiency) 
·动态负载或暂态负载(Dynamic or Transient Response) 
·电源良好/失效(Power Good/Fail)时间 
·起动(Set-Up)及保持(Hold-Up)时间 
 
*保护动作(Protections)测试:
·过电压保护(OVP, Over Voltage Protection) 
·短路保护(Short) 
·过电流保护(OCP, Over Current Protection) 
·过功率保护(OPP, Over Power Protection) 
 
*安全(Safety)规格测试:
·输入电流、漏电电流等 
·耐压绝缘: 电源输入对地,电源输出对地;电路板线路须有安全间距。 
·温度抗燃:零组件需具备抗燃之安全规格,工作温度须於安全规格内。 
·机壳接地:需於0.1欧姆以下,以避免漏电触电之危险。 
·变压输出特性:开路、短路及最大伏安(VA)输出 
·异常测试:散热风扇停转、电压选择开关设定错误 
 
*电磁兼容(Electromagnetic Compliance)测试:
电源供应器需符合CISPR 22、CLASS B之传导与幅射的4dB馀裕度,电源供应器需在以下三种负载状况下测试:
每个输出为空载、每个输出为50%负载、每个输出为100%负载。 
·传导干扰/免疫:经由电源线之传导性干扰/免疫 
·幅射干扰/免疫:经由磁场之幅射性干扰/免疫 

*可靠性(Reliability)测试:
老化寿命测试:高温(约50-60度)及长时间(约8-24小时)满载测试。 
 
*其他测试:
·ESD:Electrostatic Discharge静电放电(人或物体经由直接接触或间隔放电引起)在2-15KV之ESD脉波下,
待测物之每个表面区域应执行连续20次的静电放电测试,电源供应器之输出需继续工作而不会产生突波(Glitch)
或中断(Interrupt),直接ESD接触时不应造成过激(Overshoot)或欠激(Undershoot)之超过稳压范围的状况、及过电压保护(OVP)、过电流保护(OCP)等。另外,於ESD放电电压在高达25KV下,应不致造成元件故障(Failure)。 
·EFT:Electrical Fast Transient or burst一串切换杂讯经由电源线或I/O线路之传导性干扰(由供电或建筑物内引起)。 
·Surge:经由电源线之高能量暂态杂讯干扰(电灯之闪动引起)。 
·VD/I:Dips and Interrupts电源电压下降或中断(电力分配系统之故障或失误所引起,例如供电过载或空气开关跳动所引起) 
·Inrush: 开机输入冲击电流,开关电源对供电系统的影响。


3.常规功能(Functions)测试

输出电压调整:
    当制造开关电源时,第一个测试步骤为将输出电压调整至规格范围内。此步骤完成后才能确保后续的规格能够符合。 通常,当调整输出电压时,将输入交流电压设定为正常值(115Vac或230Vac),并且将输出电流设定为正常值或满载电流,然後以数字电压表测量电源供应器的输出电压值并调整其电位器(VR)直到电压读值位於要求之范围内。 

电源调整率:
    电源调整率的定义为电源供应器於输入电压变化时提供其稳定输出电压的能力。此项测试系用来验证电源供应器在最恶劣之电源电压环境下,如夏天之中午(因气温高,用电需求量最大)其电源电压最低;又如冬天之晚上(因气温低,用电需求量最小)其电源电压最高。在前述之两个极端下验证电源供应器之输出电源之稳定度是否合乎需求之规格。 

为精确测量电源调整率,需要下列之设备:

·能提供可变电压能力的电源,至少能提供待测电源供应器的最低到最高之输入电压范围。 
·一个均方根值交流电压表来测量输入电源电压,众多的数字功率计能精确计量V A W PF。 
·一个精密直流电压表,具备至少高於待测物调整率十倍以上,一般应用5位以上高精度数字表。 
·连接至待测物输出的可变电子负载。 

*测试步骤如下:於待测电源供应器以正常输入电压及负载状况下热机稳定後,分别於低输入电压(Min),正常输入电压(Normal),及高输入电压(Max)下测量并记录其输出电压值。 

电源调整率通常以一正常之固定负载(Nominal Load)下,由输入电压变化所造成其输出电压偏差率(deviation)的百分比,如下列公式所示: 
       V0(max)-V0(min) / V0(normal) 

电源调整率亦可用下列方式表示之:於输入电压变化下,其输出电压之偏差量须於规定之上下限范围内,即输出电压之上下限绝对值以内。 
 
负载调整率:
    负载调整率的定义为开关电源於输出负载电流变化时,提供其稳定输出电压的能力。此项测试系用来验证电源在最恶劣之负载环境下,如个人电脑内装置最少之外设卡且硬盘均不动作(因负载最少,用电需求量最小)其负载电流最低和个人电脑内装置最多之外设卡且硬盘在动作(因负载最多,用电需求量最大)其负载电流最高的两个极端下验证电源供应器之输出电源之稳定度是否合乎需求之规格。 

*所需的设备和连接与电源调整率相似,唯一不同的是需要精密的电流表与待测电源供应器的输出串联。示: 

测试步骤如下:於待测电源供应器以正常输入电压及负载状况下热机稳定後,测量正常负载下之输出电压值,再分别於轻载(Min)、重载(Max)负载下,测量并记录其输出电压值(分别为Vmax与Vmin),负载调整率通常以正常之固定输入电压下,由负载电流变化所造成其输出电压偏差率的百分比,如下列公式所示: 
       V0(max)-V0(min) / V0(normal) 
负载调整率亦可用下列方式表示:於输出负载电流变化下,其输出电压之偏差量须於规定之上下限电压范围内,即输出电压之上下限绝对值以内。 
 
综合调整率:
    综合调整率的定义为电源供应器於输入电压与输出负载电流变化时,提供其稳定输出电压的能力。这是电源调整率与负载调整率的综合,此项测试系为上述电源调整率与负载调整率的综合,可提供对电源供应器於改变输入电压与负载状况下更正确的性能验证。 综合调整率用下列方式表示:於输入电压与输出负载电流变化下,其输出电压之偏差量须於规定之上下限电压范围内(即输出电压之上下限绝对值以内)或某一百分比界限内。 
 
输出杂讯(PARD):
    输出杂讯(PARD)系指於输入电压与输出负载电流均不变的情况下,其平均直流输出电压上的周期性与随机性偏差量的电压值。输出杂讯是表示在经过稳压及滤波後的直流输出电压上所有不需要的交流和噪声部份(包含低频之50/60Hz电源倍频信号、高於20 KHz之高频切换信号及其谐波,再与其他之随机性信号所组成)),通常以mVp-p峰对峰值电压为单位来表示。 一般的开关电源的规格均以输出直流输出电压的1%以内为输出杂讯之规格,其频宽为20Hz到20MHz(或其他更高之频宽如100MHz等)。 开关电源实际工作时最恶劣的状况(如输出负载电流最大、输入电源电压最低等),若电源供应器在恶劣环境状况下,其输出直流电压加上杂讯後之输出瞬时电压,仍能够维持稳定的输出电压不超过输出高低电压界限情形,否则将可能会导致电源电压超过或低於逻辑电路(如TTL电路)之承受电源电压而误动作,进一步造成死机现象。 

例如5V输出,其输出杂讯要求为50mV以内(此时包含电源调整率、负载调整率、动态负载等其他所有变动,其输出瞬时电压应介於4.75V至5.25V之间,才不致引起TTL逻辑电路之误动作)。在测量输出杂讯时,电子负载的PARD必须比待测之电源供应器的PARD值为低,才不会影响输出杂讯之测量。同时测量电路必须有良好的隔离处理及阻抗匹配,为避免导线上产生不必要的干扰、振铃和驻波,一般都采用双同轴电缆并以50Ω於其端点上,并使用差动式量测方法(可避免地回路之杂讯电流),来获得正确的测量结果,日本计测KEISOKU GEIKEN的PARD 测试仪具备此种功能。 
 
输入功率与效率:
      电源供应器的输入功率之定义为以下之公式: 
      True Power = Pav(watt) = V1 Ai dt = Vrms x Arms x Power Factor 
即为对一周期内其输入电压与电流乘积之积分值,需注意的是Watt≠VrmsArms而是Watt=VrmsArmsxP.F.,其中P.F.为功率因素(Power Factor),通常电源供应器的功率因素在0.6~0.7左右,而大功率之电源供应器具备功率因素校正器者,其功率因素通常大於0.95,当输入电流波形与电压波形完全相同时,功率因素为1,并依其不相同之程度,其功率因素为1~0之间。 

电源供应器的效率之定义为: 
         ΣVout x lout / True Power (watts) 
即为输出直流功率之总和与输入功率之比值。通常个人电脑用电源供应器之效率为65%~80%左右。效率提供对电源供应器正确工作的验证,若效率超过规定范围,即表示设计或零件材料上有问题,效率太低时会导致散热增加而影响其使用寿命。 由於近年来对於环保及能源消耗愈来愈重视,如电脑能源之星「Energy Star」对开关电源之要求:於交流输入功率为30Wrms时,其效率需为60%以上(即此时直流输出功率必须高於18W);又对於ATX架构开关电源於直流失能(DC Disable)状态其输入功率应不大於5W。因此交流功率测试仪表需要既精确又范围宽广,才能合乎此项测试之需求。
 
动态负载或暂态负载
    一个定电压输出的电源,於设计中具备反馈控制回路,能够将其输出电压连续不断地维持稳定的输出电压。由於实际上反馈控制回路有一定的频宽,因此限制了电源供应器对负载电流变化时的反应。若控制回路输入与输出之相移於增益(Unity Gain)为1时,超过180度,则电源供应器之输出便会呈现不稳定、失控或振荡之现象。实际上,电源供应器工作时的负载电流也是动态变化的,而不是始终维持不变(例如硬盘、软驱、CPU或RAM动作等),因此动态负载测试对电源供应器而言是极为重要的。可编程序电子负载可用来模拟电源供应器实际工作时最恶劣的负载情况,如负载电流迅速上升、下降之斜率、周期等,若电源供应器在恶劣负载状况下,仍能够维持稳定的输出电压不产生过高激(Overshoot)或过低(Undershoot)情形,否则会导致电源之输出电压超过负载元件(如TTL电路其输出瞬时电压应介於4.75V至5.25V之间,才不致引起TTL逻辑电路之误动作)之承受电源电压而误动作,进一步造成死机现象。 
 
电源良好/失效时间(Power Good、Power Fail或Pok)
    电源良好信号,简称PGS(Power Good Signal或Pok High),是电源送往电脑系统的信号,当其输出电压稳定後,通知电脑系统,以便做开机程序之 C 而电源失效信号(Power Fail或Pok Low)是电源供应器表示其输出电压尚未达到或下降超过於一正常工作之情况。 以上通常由一「PGS」或「Pok」信号之逻辑改变来表示,逻辑为「1或High」时,表示为电源良好(Power Good),而逻辑为「0或Low」时,表示为电源失效(Power Fail),请叁考图5之时序图:

电源的电源良好(Power Good)时间为从其输出电压稳定时起到PGS信号由0变为1的时间,一般值为100ms到2000ms之间。 电源的电源失效(Power Fail)时间为从PGS信号由由1变为0的时间起到其输出电压低於稳压范围的时间,一般值为1ms以上。日本计测KEISOKU GEIKEN的电子负载可直接测量电源良好与电源失效时间,并可设定上下限,做为是否合格的判别。 
 
启动时间(Set-Up Time)与保持时间(Hold-Up Time)
    启动时间为电源供应器从输入接上电源起到其输出电压上升到稳压范围内为止的时间,以一输出为5V的电源供应器为例,启动时间为从电源开机起到输出电压达到4.75V为止的时间。 
    保持时间为电源供应器从输入切断电源起到其输出电压下降到稳压范围外为止的时间,以一输出为5V的电源供应器为例,保持时间为从关机起到输出电压低於4.75V为止的时间,一般值为17ms或20ms以上,以避免电力公司供电中於少了半周或一周之状况下而受影响。 

启动时间与保持时间的时序如图6所示。 
 
其他
·Power Up delay:+5/3.3V 的上升时间(由10%上升到90%电压之时间) 
·Remote ON/OFF Control:遥控「开」或「关」之控制 
·Fan Speed Control/Monitor:散热风扇之转速「控制」及「监视」 
 
保护功能测试

过电压保护(OVP)测试
    当电源供应器的输出电压超过其最大的限定电压时,会将其输出关闭(Shutdown)以避免损坏负载之电路元件,称为过电压保护。过电压保护测试系用来验证电源供应器当出现上述异常状况时(当电源供应器内部之回授控制电路或零件损坏时,有可能产生异常之输出高电压),能否正确地反应。 过电压保护功能对於一些对电压敏感的负载特别重要,如CPU、记忆体、逻辑电路等,因为这些贵重元件若因工作电压太高,超过其额定值时,会导致永久性的损坏,因而损失惨重。电源供应器於过电压情形发生时,其输出电压波形如图7所示。 
 
短路保护测试
      当电源供应器的输出短路时,则电源供应器应该限制其输出电流或关闭其输出,以避免损坏。短路保护测试是验证当输出短路时(可能是配线连接错误,或使用电源之元件或零组件故障短路所致),电源供应器能否正确地反应。 
 
过电流保护OCP测试
      当电源供应器的输出电流超过额定时,则电源供应器应该限制其输出电流或关闭其输出,以避免负载电流过大而损坏。又若电源供应器之内部零件损坏而造成较正常大的负载电流时,则电源供应器也应该关闭或限制其输出,以避免损坏或发生危险。过电流保护测试是验证当上述任一种状况发生时,电源供应器能否正确地反应。 

过功率保护OPP测试
      当电源的输出功率(可为单一输出或多组输出)超过额定时,则电源应该限制其输出功率或关闭其输出,以避免负载功率过大而损坏或发生危险。又若电源内部零件损坏而造成较正常大的负载功率时,则电源也应该关闭或限制其输出,以避免损坏。 过功率保护测试是验证当上述任一种状况发生时,电源能否正确地反应。 本项测试通常包含两组或数组输出功率之功率限制保护,因此较上述单一输出之保护测试(OVP、OCP、Short等)稍具变化。

4.电源EMI滤波器的相关参数

    电源EMI滤波器,又称为电磁干扰滤波器、电网滤波器、电网噪声滤波器等等,或统称为EMI滤波器。 电源EMI滤波器电源EMI滤波器,是一种低通滤波器,把直流、50Hz或400Hz的电源功率毫无衰减地传输到设备上,大大衰减经电源传入的EMI信号,保护设备免受其害;同时,又能有效地控制设备本身产生的EMI信号,防止它进入电网,污染电磁环境,危害其他设备。 电源EMI滤波器是帮助电磁设备和系统满足有关电磁兼容性标准,如IEC、FCC、VDE、MIL-STD-461、GB9254和GB6833等电磁兼容标准,不可缺少的器件。

    一、电源EMI滤波器的产生背景

    在电子设备供电电源上,存在有各种各样的外来干扰信号。很多电子设备本身,在完成其功能同时,也产生了形形色色的EMI信号,以及人为和大自然的EMI信号。这些EMI信号,通过传导和辐射的方式,影响着该环境里运行的电子设备。 IBM公司(美)的一项研究表明:一台普通计算机装置每月都会遭受120多次电源干扰,且电源问题是造成美国45%以上的计算机装置丢失数据和发生故障的根本原因。其中脉冲干扰占39.5%,振荡瞬变占49%,这两项共占88.5%,是电源受到干扰的主要成分。电网中的负载切换、电网切换或其他各种故障都会使电网发生瞬变过程产生脉冲噪声,它通常也称瞬变噪声,其波形是一系列的单个脉冲或脉冲束。   针对以上电网瞬变电压的干扰以及EMI信号的传导干扰和某些辐射传导干扰,电源EMI滤波器消除它们的极有效的器件,而且,电源EMI滤波器还能提高设备(产品)对EMI的抗扰度,因而得到非常广泛的应用。

    二、共模和差模干扰信号

    关于上述各式各样的EMI信号对电子设备的影响,其中把相线(L)与地线(E)和中线(N)与地线(E)之间存在的EMI信号称之为共模干扰信号,共模干扰信号可视为在L和N线上传输的电位相等、相位相同的信号。把L和N之间存在的干扰信号U3称为差模干扰信号,也可把它视为在L和N线上有180度相位差的干扰信号。对于供电系统的传导干扰信号,都可以用共模和差模干扰信号来表示。并且也可把L-E和N-E上的共模干扰和。   实际应用中,在电源线中往往同时存在共模和差模干扰,一般低于1MHz频率的干扰以差模为主,高于1MHz频率的干扰以共模为主。因此电源EMI滤波器是由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成。

    三、电源EMI滤波器的选型

    选择和使用电源EMI滤波器时,考虑最主要的特性参数有额定电压、额定电流、插入损耗、阻抗搭配、工作环境条件(温度等),另外还要考虑体积、质量和可靠性等等。

    3.1、额定电压 额定电压是电源EMI滤波器用在指定电源频率时的工作电压,也是滤波器最高允许的电压值。如用在50Hz单相电源的滤波器,额定电压为250V;用在50Hz三相电源的滤波器,额定电压为440V。若输入滤波器的电压过高,会使内部电容器损坏。

    3.2、额定电流 额定电流是在额定电压和指定环境温度条件下所允许的最大连续工作电流。 随着环境温度的升高,或由于电感导线的铜损,磁芯损耗以及周围环境温度等原因导致工作温度高于室温,这时候就难以确保插入损耗的性能。我们应该根据实际可能的最大工作电流和工作环境温度来选择滤波器的额定电流。

    3.3、插入损耗 插入损耗是电源EMI滤波器最重要的技术参数之一,设计人员和工程应用人员考虑的中心问题就是:在保证滤波器安全、环境、机械和可靠性能满足有关标准要求的前提下,实现尽可能高的插入损耗。滤波器的插入损耗是频率的函数,用dB(分贝)表示。

    3.4、阻抗搭配 选择滤波电路的原因是与滤波器要在匹配条件下工作的传统概念不同,所谓匹配意味滤波器需在保持输入/输出信号幅度不变(或某一固定比例)的前提下,将其中部分频谱做预期的处理或变换,而EMI电源滤波器不同,它是个以工频为导通对象的低通滤波器,是在不匹配的条件下工作,因为在实际应用中无法实现匹配,如滤波器输入端阻抗RI——电网源阻抗是随着用电量的大小变化的,滤波器输出端的阻抗Rl(负载阻抗)——电源阻抗是随着电源负载的大小变化的,要想获得理想的抑制效果,应遵循正确的阻抗搭配。

    3.5、其它 在选用电源EMI滤波器时,除了估计干扰源类型——共模为主还是差模为主,以及它的电气安全性能——泄漏电流和耐压外,还要考虑使用过程中的环境温度、额定电流和额定电压,它直接影响到滤波器的滤波性能。

    四、电源EMI滤波器的安装

    一般来说,在电子设备或系统内安装EMI 滤波器时要注意的是,在捆扎设备电缆时,千万不能把滤波器(电源)端和(负载)端的电线捆扎在一起, 因为这无疑加剧了滤波器输入输出端之间的电磁耦合。严重破坏了滤波器和设备屏蔽对EMI 信号的抑制能力。 另外,要求滤波器的外壳与系统地之间有良好的电气连接,也就是说,要处理好滤波器的接地。最好不要把滤波器安装在塑料板上和其他绝缘物体上,亦不要安装在金属托架上。要尽量避免使用长接地线。因为过长的接地线意味着大大增加接地电感和电阻,它会严重破坏滤波器的共模抑制能力。 较好方法是,用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽牢牢地固定在设备电源入口处的机壳上。

5.AC/DC 变换器过压保护简介

    电源变换器器的过压保护方式有很多种类型,部分产品是从电路上解决此问题,另有产品是外接元器件去解决。我厂制造生产的AC/DC 变换器要求用户使用外接元器件去对模块进行过压保护的,推荐使用的器件的是氧化锌压敏电阻。
1〕典型使用连线图

2〕作用机理
    压敏电阻是一种无极性过电压保护元件,无论是交流电路或直流电路,只需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的。(如上图所示)
压敏电阻器对电器的保护分为两种情况:
A) 当过电压幅值高于压敏电压,过电流幅值小于压敏电阻器的最大峰值电流时(若无压敏电阻器是足以使设备元器件破坏),压敏电阻器处于击穿区,可将过电压瞬时限制在很低的幅值上,此时通过压敏电阻器的浪涌电流幅值不大(< 100A/cm2),不足以对压敏电阻器产生劣化;
B) 当过电压幅值很高时,压敏电阻器将过电压限制在较低的水平上(小于设备的耐压),同时通过压敏电阻器的冲击电流很大,使压敏电阻劣化,这时通过熔断器的电流较大,熔断器断开,这样既使电器设备、元器件免受过电压冲击,也可避免由于压敏电阻器的劣化击穿造成线路L-N之间短路。
3〕使用中应注意的问题
压敏电阻器的精度是眪20%,所以在电路中的精密过压控制是做不到的,请用户一定不能把它作为精密过压控制去使用。如用户要求精密过压控制应该外接峰值电压检测电路,去控制或作为过压关断保护电路。
另:压敏电阻器在电路的过电压防护过程中,正常工作在预击穿区和击穿区,理论上是不会损坏的。但由于压敏电阻器要长期承受电源电压、电路中超能量过电压随机的不断冲击及吸收电路储能元件释放能量。因此,压敏电阻器也是会损坏的,他的寿命根据所在电路经受过电压幅值和能量的不同而不同。
压敏电阻器的损坏方式有:
1. 劣化 表现为漏电流增大,压敏电压显著下降,直至为零;
2. 炸裂 若过电压引起的浪涌能量太大,压敏电阻器无法承受,致使压敏电阻器在抑制电压的同时瓷片击穿炸裂;
3. 穿孔 若过电压峰值特别高,导致压敏电阻器瓷片瞬间放电穿孔,表现为穿孔。
这三种情况下都是由于压敏电阻器对过电压抑制,对浪涌能量吸收或释放造成自身劣化失效,使电路中被保护电路元器件免受破坏。


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