微电机2009年第42卷第11期中图分类号:T M381 文献标志码:A 文章编号:100126848(2009)1120064203直流电机调速系统电磁兼容设计李　燕,姚竹亭(中北大学,太原　030051)摘　要:分析了基于C W 1525A 芯片的直流电机调速系统中产生的电磁干扰;讨论了PCB 的电磁兼容设计,即电路的合理选择和布置、妥善安排地线、正确应用屏蔽和合理利用滤波技术等,特别是全过程都应重视电磁兼容设计,以保证调速系统的电气性能和可靠性。

关键词:直流电动机;电磁干扰;电磁兼容;设计Electromagnetic Com pa tib ility D esign of DC M otor Con trol System of C W 1525AL I Yan,Y AO Zhu 2ting(The North University of China,Taiyuan 030051,China )Abstract:C W 1525A which bel ongs t o series integrated P WM contr oller uses for driving N -channel VMOSFET or NP N bi polar transist or .This paper reported the studies on the electr omagnetic interferenceof DC mot or contr ol syste m.The experience of designing electr omagnetic compatibility of PCB was de 2scribed .Then,it summaried key points:p r operly arranging circuits,p r operly arranging gr oundinglines,correctly fixing the shield,reas onably using filer .Finally,it pointed out that electr omagneticcompatibility design t o the end,s o as t o ensure the perf or mance and reliability of the syste m.Key W ords:DC mot or;Electr omagnetic interferrence;Electr omagnetic compatibility;Design 收稿日期:20082102290　引　言C W 1525A 系列P WM 集成控制器适用于驱动N沟道VMOSFET 或NP N 双极型晶体管,属于电压型控制器。

芯片有16个引脚,由基准电压源、振荡器、误差放大器、P WM 比较器及锁存器、触发器、欠压锁定、输出级、软启动及关闭电路等组成。

电磁兼容是直流电机调速系统中的重要指标。

系统中由于功率电路主开关器件的快速导通和关断,导致功率电路电流变化率(d i /d t )和电压变化率(d u /d t )较大,而同时系统中芯片本身有振荡频率,它们在布线电感上产生很大的尖峰电压,叠加在开关器件两端,严重威胁开关器件的安全;另外,由于分布电感和分布电容的耦合作用,它们又会耦合到系统控制电路逻辑器件的输入端,造成控制电路误动作,使系统工作异常[1]。

因此,直流电机控制系统对电磁兼容设计要求较高,其电磁兼容设计应与系统设计同步进行,从方案论证阶段开始,直至设计定型,都应采取电磁兼容设计措施。

1　直流电机调速系统基本组成直流电机调中系统框图如图1所示。

图1　控制系统框图直流电机驱动系统由整流滤波电路、控制电路、驱动电路、电流检测电路、电动机等部分组成。

其中控制电路是由C W 1525A 芯片及周围电路组成。

芯片的输出级采用了图腾柱结构。

这是该系列P WM 集成控制器的最大优点之一。

两晶体管组成图腾柱结构,输出既可向负载提供电流(拉电流),又可吸收负载电流(灌电流)。

这对功率开关管VT 关断有利。

2　系统电磁干扰PCB 板是系统的最基本部件,也是绝大部分电子元器件的载体。

一个好的PCB 板可以解决大・46・直流电机调速系统电磁兼容设计　李　燕,等部分的电磁骚扰问题。

在接口电路排版时适当增加瞬态抑制器件和滤波电路就能同时解决大部分抗扰度和骚扰问题[3]。

系统主要的电磁干扰也来自PCB 板。

主要干扰在以下的电路中:电源电路、芯片及周围电路、驱动电路、电动机工作电路。

a )印制板上的电源电线由于给板上的数字逻辑器件供电,线路中存在着瞬态变化的供电电流,因此将向空间辐射电磁骚扰。

由于电源线电流较大,同时也有传导电磁骚扰,供电线路电感又将引起共阻抗耦合干扰,同时会影响集成片的响应速度和引起供电电压的振荡。

b )芯片及周围电路主要由于芯片内部含有振荡器,产生振荡频率,同时产生电磁干扰。

振荡器(OSC )由一个回差比较器、一个横流源及电容充放电电路组成。

其外部连接如图2所示。

在5脚即C t 上产生锯齿波电压,如图3所示。

锯齿波峰点和谷点电平分别为U H =313V ,U L =019V 。

内部一恒流源给电容C t 充电。

恒流源对C t 的充电电流值由R t 的阻值决定。

锯齿波的上升对C t 充电,充电时间t 1取决于R t C t ;锯齿波的下降边对应于C t 经R d 放电,放电时间t 2取决于R d C t 。

锯齿波频率按下式计算:f =1t 1+t 2=1C t (017R t +3R d )锯齿波震荡频率主要由外接电容C t 和电阻R t 决定[2]。

c )芯片的两路输出分别驱动两只VMOS 场效应管。

由于晶体管存在关断时间,C W 1525A 每组输出级的上下晶体管在状态转换过程中会出现重叠导通,在重叠导通处产生一个电流尖峰,其持续时间一般不超过100ns 。

大脉冲电流的切换引起的干扰,其d i /d t 很大,不仅影响驱动电路,而且还会通过电源和地进入控制电路;再就是驱动回路产生差模电流辐射;驱动电路中的变压器也是一个重要的干扰源。

d )电动机起动、制动时,在负载突变处产生瞬变电压,其振幅会高于电源电压,而且前沿陡峭,频带很宽,经由直流电源进入控制电路。

电动机的工作回路也产生差模电流辐射,同时电动机也是一个很重要的干扰源。

直流电机控制系统中主要的干扰途径有:①传导耦合。

通过电源线、地线、信号线将干扰引入敏感单元;②公共阻抗耦合。

传递信号需要一个公共基准点即点位参考点,这就形成了公共阻抗;流入公共阻抗的电流便将干扰耦合到其他电路中,不良的接地方式时会引起公共阻抗耦合;③辐射耦合。

载荷导线或元器件辐射电磁场,因而元器件与元器件之间、导线与导线之间、导线与元器件之间会通过分布电容或互感产生感应电压;④线间感应耦合。

若线间距离较小,信号大时会产生线间耦合。

3　直流电机控制系统电磁兼容设计设计系统时,应在初步设计阶段进行电磁兼容性分析,选用不易产生干扰及对干扰不敏感的元器件和电路,同时对元器件和电路进行合理布置,以减小相互影响,并便于采取防护措施。

印制板上的元器件可按电原理图的顺序排列,使各部分功能明确,并力求元器件安排紧凑。

a )合理布置电源线。

一般采用滤波去耦电容和减小供电线路特性阻抗的方法来抑制电源线中存在的骚扰。

多层板的供电有专用的电源层和地线层,面积大,间距小,特性阻抗可小于1Ω。

适当加粗电源线,印制电路板上的供电线路应加滤波器和去耦电容。

对电源线上辐射发射比较强的电路要屏蔽。

b )尽量减小信号环路的面积。

减小信号环路的面积,是为了减小环路的差模电流辐射。

环路辐射与电流强度和环路面积成正比。

在电流强度确定的情况下,为了减小环路辐射,只有设法减小环路面积。

信号环路不应重叠,这对于高速度、大电流的信号环路尤为重要。

实际上减小面积比缩短信号线长度更有效。

在单层和双层板上信号线及其回流线应紧贴在一起布置,最好是每条信号线都有自己的回流线,否则容易产生信号环路的重叠。

在多层板中信号线不要跨越地层上的隔缝,其目的都是为了减小信号环路面积[3]。

在这个系统中,要尽量减小驱动回路即VMOS 晶体管所在的回路,还要尽量减小电动机工作的回路。

c )合理设置退耦电容。

设计印制线路板时,每个集成电路的电源与地之间都要加一个去耦电容。

去耦电容有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,提供和吸收该集成电路开门关门瞬・56・微电机2009年第42卷第11期间的充放电能;另一方面去除掉该器件的高频噪声。

去耦电容值的选取并不严格,可按C=1/f计算,即10MHz取011μF。

电源输入端跨接10μF ～100μF的电解电容器,如有可能,接100μF以上的更好。

每个集成电路芯片都应布置一个0101 pF的瓷片电容;对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容;电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线[4]。

d)用多层板代替单面板或双面板。

这是电磁兼容设计很重要一个措施。

多层印制电路板时由预浸环氧玻璃布把3层以上的分离导电图形粘结层压而成。

电源和回路总线是由非浸蚀铜箔板构成。

这样,电源分配系统组成大的平面,具有极低分布源阻抗。

因此,多层板比单面板和双面板更能避免共阻抗耦合,并提供屏蔽(取决于布局),使多电平电压分配得到改善。

这个系统所用的印制板将采用4层板。

e)屏蔽正确应用。

对线路板上的强辐射电路或高度敏感电路需要采取局部屏蔽。

线路板局部屏蔽能否成功的一个关键因素是屏蔽界面的选择是否合理。

因此选择屏蔽界面主要原则有:第一穿过屏蔽界面的导线数量最少。

第二所有穿过屏蔽界面的导线都需要滤波。

线路板上的导线滤波可以采用贴片电容,安装在导线闯过屏蔽体的界面上,如果为了防止屏蔽盒内的干扰出来,滤波电容安装在内侧,如果为了防止外界干扰进到盒子里面,滤波电容安装在盒子的外侧。

三段贴片电容式最适合这种应用的器件。

f)接地技术。

接地技术既应用于多层PCB,也应用于单层PCB。

接地技术的目标是最小化接地阻抗,以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。

保护环是一种可以将充满噪声的环境(比如射频电流)隔离在环外的接地技术,这是因为在通常的操作中没有电流流过保护环。

PCB电容在多层板上,由分离电源面和地面的绝缘薄层产生了PCB电容。

PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀地分布在整个面或整条线上的低串连电感。

它等效于一个均匀分布在整个板上的去耦电容。

多层PCB中的接地面和电源面在多层PCB中,推荐把电源面和接地面尽可能近的放置在相邻的层中,以便在整个板上产生一个大的PCB电容。