基于双馈变流器电源电路的PCB板设计

姚颖+付明志+秦猛

摘 要：首先分析了基于双馈变流器主控电源PCB板设计中电磁辐射产生的原因，继而提出了电源电路PCB板抗电磁干扰的设计方法。再从电源走线的直流特性、载流能力与温升等技术方面出发提出了电源电路的PCB板设计方法和注意事项。以降低电源在正常工作中受到的电磁辐射影响，来保证了电源电路的安全性，并为后续回路的电源提供了稳定的电压和电流。可用于指导双馈变流器产品电源电路PCB板的初期设计。

关键词：双馈变流器 电源电路 PCB板 电磁辐射 载流能力

中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0133-02

目前风力发电作为一种清洁能源在全球范围内得到了广泛的发展，其中双馈变流器的应用很好地提高风力发电效率并得到了广泛的应用。电源电路作为双馈变流器主控板的基础硬件决定了整个变流器的稳定性。电源电路设计不合理不但会引起电源噪音和电磁辐射，而且对后面电路的有用信号也会产生干扰，甚至影响整个电路的性能。另外，如果不了解电源走线的电阻特性以及走线的载流能力还会造成走线电流设计的不匹配，严重时有可能烧毁板子。因此电源电路PCB板的设计对于整个电路有着至关重要的作用。

1 电磁辐射的产生和解决方法

双馈变流器主控电源电路要把接入220V交流电转化为供给光耦的24V直流电压，供给运放的正负15V电压和供给一些控制芯片的5V和3.3V直流电压等。其中间涉及到整流电路、滤波电路、降压电路等电路而且供电电流相对也比较大。因此相比于其他电路来说，属于产生电磁干扰比较大的电路。即使电路原理图设计正确，如果PCB电路板设计不当也会对电路的可靠性产生不利影响。因此，PCB板设计的好坏是电磁兼容性的关键。一般电磁辐射干扰由3部分组成：噪声源、耦合途径和受扰设备。其中发射控制和噪声源的控制是降低电磁干扰的关键（如图1所示），耦合途径包括传导耦合和辐射耦合，通过不同的耦合途径会产生一些干扰问题。例如：导线之间的互感和分布电容增加、PCB板导线之间的串扰、印制走线终端的反射干扰、电源线和接地线处理不当产生的干扰等。另外就是增加受扰设备的抗干扰能力。

电源电路是一个很容易引起电磁辐射的干扰源，要想降低电磁辐射干扰不仅要有合理的器件布局和PCB布线，更重要的是要在空间上进行隔离屏蔽、滤波和退耦。一般来说要注意以下几点。

（1）使用多层电路板：最好的抑制PCB辐射的方法是在辐射原点处进行抑制，而不是依靠金属屏蔽来阻挡发射。多层电路板的使用恰恰带来了原点抑制的好处，通过设置整层的电源面和地平面金属层来控制辐射能量。在多层PCB中把电源面和地平面放置在相邻层中，在整个板上构成了一个天然的大平行板电容器，其电容工作频率范围可达到50MHz，通常对低速电路能提供足够的退耦，也降低高频源的分布阻抗。而且相邻的电源面和地平面可使元件电路间阻抗很低，防止系统电压和元件间电压产生过大的跌落。但如果电源面和地平面的电容的自振频率刚好和其他分立电容的自振频率相同，就会引起非常尖锐的谐振，电路在该频点就如同没有任何退耦一样，此时PCB就成为了一个很强的辐射源。此时应该另加退耦电容使得谐振峰偏离原来的谐振频点。多层PCB自谐振频率一般在200～400Hz之间。由下面的公式可以看出，调整平面间距或尺寸也可以来改变电容值。

（2）电源的处理：主要采用的是隔离和屏蔽。由于电源走线电流相比其他信号线要较大的多，当电流流动时会产生向外辐射的磁场造成电磁辐射干扰，因此电源线一般要远离信号线布线，尤其要考虑到避免干扰到模拟信号和高频信号。当电路中需要多电源供给时，一般需要用接地线或区域把每个电源分离开来避免电源之间的干扰；但在单层PCB中多点接地是不可能的，需要把从一个电源中引出的电源线和地线同其他的电源线和地线分隔开，这样有助于避免电源之间的噪声耦合。考虑到电源线要承载额定电流的大小，一般情况下PCB板中电源线宽度应在0.5～2mm。

（3）地回路的处理：地回路是辐射能量产生和传播的主要渠道。辐射电流总要经过各种通道途径回到原来的起点处，例如元件、线路、电源平面和地平面等。好的地回路设计可以大大消减辐射串扰。首先要注意数字地和模拟地之间的分离，模拟地要单点接地使噪声源与敏感电路分开，在PCB设计时候要做分割使互相之间不产生影响不产生串扰；其次要注意地线的宽度，尽量将地线加粗使它能通过3倍工作电流。使用完整的地平面是降低PCB阻抗最简单的办法，这样能使整个电路电感降低很多。另外，要考虑芯片到PCB焊盘的引脚长度，缩短其长度可以降低退耦回路的总体阻抗（如图2所示）。因为在紧邻元件的供电引脚用于储存电流，为了减小引线电感，尽量要靠近元件安放电容。以上其原理都是为了减小环路面积、减小PCB阻抗，为电磁能量提供一條更好的路径。

（4）采用分割隔离：分割隔离是指采用物理上的分割来减少不同线间的耦合，一般采用护沟去除之间相应位置的铜皮来实现隔离的。护沟起着隔离带的作用，挡住无关信号和线条，防止数字电流进入模拟地平面。例如模拟地和数字地之间仅在一点处连接就是采用的这个桥接技术，确保任何跨接模拟区和数字区的信号线通过桥接进行连接。电源平面和地线平面区域间护沟的最小宽度是0.25mm。其中需要进入护沟的电源只能通过磁珠跨过护沟进行连接，不得使用电感。需要跨过护沟的地必须是电源线的3倍宽度。

2 电源走线的电阻和温升对电流的影响

电源电流流过PCB走线时，由于走线直流电阻的存在会引起电源电压跌落和走线上的功耗，情况严重时可能会引起供电电源效率下降，系统过热，甚至引发系统故障。很大的温升会使电路工作不可靠，还会使绝热材料发热并损坏走线。一般情况下走线的温升高于周围环境温度后，大致正比于走线中损耗的功率。在设计阶段，走线的发热量应不高于环境温度10℃。电源走线承载功率的能力取决于其横截面面积，且和温升有关。根据功率损耗的方程P=I2R，得知走线的载流能力即功耗热量与电流的平方成正比。温升与流过电流的时间间隔成指数关系。在大电流符合的情况下，温度的升高与电阻的依赖关系相同。导线的熔融电流方程为I=式中，K是由金属决定常数；d为导线直径（英寸）。以18AWG线规的铜线为例，d=0.0403in，K=10244，则有I=，I=82.9A。温度升高的影响在电压源的情形是减小了载流能力，在电流源的情形是增加了功率损耗。

3 结语

电源电路中不可避免地会产生一些辐射噪音干扰，会影响到后面的有用信号线。如果懂得了电源电路PCB的设计方法并结合抗电磁干扰设计的准则，就能够大大地减少干扰噪音，提高整个电源电路的效率和稳定性、可靠性，能够保证双馈变流器主控电路的供电需求，保障整个风力发电系统的正常运行。因此初期设计人员不但要了解电源电路中电磁干扰产生的原因，知道如何去降低PCB的电磁干扰，更应该熟知电源走线的直流特性，这是设计人员应该注意的。

参考文献

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