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藏身于电路中的看不见的魔鬼

电路图上的线并不是“单纯的线”

大家好。我是手机beat365开发课的千叶。这篇文章是关于我所负责产品的经验之谈。
在产品设计中,电路图固然很重要(或者说没有电路图就无从开始…),但并非有完美的电路图就可以生产出满足性能要求的产品,这便是我写下本篇文章的宗旨。

因标准修订而改造的产品无法顺利运行

我负责的产品是进行电源波动试验的产品,这是一种通过软件控制安装在电源装置输出端的开关ON/OFF来实现电压急剧波动的试验装置。
本来在基础的电源装置上就有通过软件的设置使电压进行波动的功能,但是无法满足在电源波动试验的部分标准中所要求的,使电压急剧波动的动作。因此,需要通过安装在输出端的开关ON/OFF来实现这一动作(图1)。

图1

本产品是在我负责之前就有实绩的产品,本次由于标准部分修订,客户要求产品需满足修订后标准。考虑到标准的修订内容也不是特别大范围的改动,因此决定在拥有实绩的产品基础上变更部分电路结构,零部件配置也基本上维持现状,在这种情况下开始了产品制作工作。

几周之后,实际的产品制作完成。立即接通电源!
但是,按照修订后标准进行测试后发现,开关OFF时的负脉冲信号比以前的(改造前的)产品大,出现了波形紊乱的现象。
为了查明原因,我们尝试使用修订前标准的测定条件进行工作,结果发现实力和以前的产品相同。

那么,为什么在采用本次的测定条件时,会出现比以前的产品更大的负脉冲信号呢?

原因是“寄生电感”

在标准中规定的电源电压的变化量方面,旧标准和修订标准是相同的。区别在于负载的电阻值。以前是达到数百KΩ的高电阻,而本次是几Ω的低电阻。换言之,负载电流增大了。

在通过很大的负载电流的状态下瞬间关闭,变成不通过负载电流的状态。虽然电压变化和以前的标准相同,但电流的变化量是不同的。也就是说,由于本次的电流变化量大,布线的“寄生电感成分(在电路图上不显示的感应电动势)”对电路造成的影响处于比以前更大的状态。

另外,仔细查看内部的零部件配置,布线后发现,电源线与GND线的零部件距离较远,正极侧的布线长,同时,负极侧的布线距离也较远,采用了一种形成很大环路的布线结构。这种结构也会产生具有不良影响的多余的寄生电感。

封堵看不见的敌人

查明原因之后,剩下的就是对策了。

首先,针对标准中提出的开关速度的要求,我们早早地设置了超出实际要求的余量,因此对开关速度进行了调整。
然后是布线的环路。理想的方法是使零部件配置更加接近,并尽可能地使布线更粗,更短(=缩小环路),这样可以减少寄生电感成分,但是变更零部件配置会产生很大的时间损耗,因此放弃了这种变更方案。

于是,进行了布线的变更。幸运的是,本产品的布线不是在基板上的布线,而是通过电缆布线形成的环路,因此,作为当场可以采取的对策,对布线长度进行了变更,使电源与GND布线形成绞线(绞合),减少环路后测试发现,寄生电感的影响得到了很大程度的抑制,最终实现了与改造之前同等的性能(图2)。

图2

在电路中隐藏着看不见的魔鬼

众所周知,在电路中存在称为寄生成分,漂移成分等“非设计者专门设计的电阻,电容,感应等的成分”。然而,我感觉到,在大多数情况下,只能通过实际尝试才能发现这些成分将以何种形式作为现象表现出来。好像有可以对其进行建模的电路模拟器,但这种技术并不很完美。

本次是在有限的时间内采取的对策,因此并不能说是最佳对策,仍有进一步改善的余地。但通过这件事情我认识到,布线在电路图上是通过“单纯的线”来表现的,而在产品中却是带来某种特性的重要因素,这对我来说是一种宝贵的经验。

我切身感受到,必须认真思考在标准中发生变更的记载内容会对实际的动作产生怎样的影响。另外,除了在电路图上的动作之外,事先预测到零部件配置和布线等产生的寄生成分也是十分重要的工作。

以上就是我对电路中隐藏着看不见的魔鬼的想法。
谢谢您一直阅读到最后。

TEXT BY
千叶 祐树
手机beat365开发部 手机beat365开发课

[主要产品开发业绩]
特制试验系统,电源波动试验器

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