在工業(yè)級應(yīng)用市場，未來很多高危、復(fù)雜、長時間或其他人力無法勝任的水下工作將逐步被水下機器人替代。水下機器人供電尺寸緊湊、輸出功率高、防水抗壓能力強和可靠性要求高等一系列特點決定其內(nèi)部供電系統(tǒng)主要由高可靠性傳導(dǎo)冷卻的模塊電源提供。

在實際應(yīng)用過程中，模塊電源需要匹配合理的外圍電路后才能正常工作。很多應(yīng)用模塊電源的客戶因為缺乏足夠的使用經(jīng)驗，常常在應(yīng)用過程中遇到各種干擾問題，嚴(yán)重時將導(dǎo)致整體供電系統(tǒng)功能降級甚至故障。

如何才能確保機器人內(nèi)部供電平臺搭建簡便且合理可靠呢？除了選擇大品牌的高可靠性模塊電源產(chǎn)品之外，項目初期能夠獲得良好的技術(shù)溝通服務(wù)更是產(chǎn)品供電長期穩(wěn)定性的重要保障。

下面分享某水下機器人供電干擾改善案例，從外圍電路中關(guān)鍵的接地部分出發(fā)，簡單分析故障干擾成因，簡化干擾傳播路徑模型并提出相應(yīng)的改善方案。

1.問題描述：

某水下機器人客戶在原型機型式試驗中頻繁遇到重載干擾問題。具體故障現(xiàn)象為水下機器人重載運行時，容易出現(xiàn)電機扭矩不足故障，失去大部分動力儲備。

2. 原因分析：

實際測量機器人內(nèi)部模塊電源輸出電壓后，當(dāng)出現(xiàn)電機扭矩不足故障時，電源的輸出電壓已遠(yuǎn)低于正常設(shè)定值，但此時實際輸出電流尚未達(dá)到滿載。初步懷疑為模塊電源內(nèi)部過流保護(hù)功能受干擾后誤動作。

仔細(xì)檢查客戶模塊外圍電路布局后發(fā)現(xiàn)接地部分布局不當(dāng)，特別是模塊周邊Y電容引腳端接地不良，額外引入的接地高頻阻抗導(dǎo)致外圍電路內(nèi)高頻回路的Y電容實際效用下降。迫使部分正常工作時產(chǎn)生的高頻噪聲干擾流經(jīng)模塊電源內(nèi)部過流保護(hù)電路。

圖一為客戶原始模塊外圍電路PCB布局圖，輸入輸出端Y電容均通過細(xì)長的地線銅箔連接至紅圈處接地螺孔位置，然后通過固定螺絲與散熱器相連。

圖一

圖二為模塊電源外圍電路接地不良時，高頻干擾噪聲路徑的簡化模型。

圖二

Snoise為模塊電源正常工作時，內(nèi)部高速開關(guān)的功率元件等產(chǎn)生的共模噪聲源。Cbase為模塊內(nèi)部功率元件與散熱鋁基板之間的耦合電容，正常工作時產(chǎn)生的高頻噪聲通過寄生電容Cbase注入到模塊背面的散熱鋁基板。因為共模噪聲本質(zhì)上可等效為恒流源，所以注入到散熱鋁基板上的共模噪聲總要尋找合適的路徑返回其噪聲源。當(dāng)外圍接地不佳時，將額外引入串聯(lián)等效高頻阻抗Rstray2和Lstray2，導(dǎo)致外加Y電容性能弱化。當(dāng)PCB接地布局如圖一中顯示的細(xì)長型接地銅箔時，其可觀的等效串聯(lián)電感Lstray2在共模噪聲有效頻段內(nèi)等效高頻阻抗高達(dá)幾十甚至上百歐姆。外圍接地阻抗的增加迫使部分共模噪聲通過其他耦合路徑分流后返回其噪聲源，同時也帶來諸多期望之外的干擾問題。

外圍電路接地不良時，部分共模噪聲Icm1將通過鋁基板與過流保護(hù)電路間耦合電容Cstray1注入。因為內(nèi)部電流采樣信號線路阻抗不平衡，所以部分注入的共模噪聲將轉(zhuǎn)化為差模噪聲。模塊電源內(nèi)部精確電流采樣信號容易被過量注入的高頻噪聲干擾，最終造成模塊電源過流保護(hù)功能誤動作，供電輸出電壓下降，導(dǎo)致電機輸出扭矩不足。

因為被原始設(shè)計用于耦合高頻噪聲的外圍Y電容接地不良，所以部分噪聲Icm2通過鋁基板與輸入線纜間高頻耦合后，從輸入側(cè)線纜返回其噪聲源。過長的高頻路徑和擴大數(shù)百倍的高頻環(huán)路面積大大增加了產(chǎn)品的EMI風(fēng)險。

3. 解決對策：

如圖三所示改善模塊電源外圍電路中所有接地部分布局，在模塊電源固定螺絲孔位置就近布設(shè)接地銅箔。在模塊電源的輸入輸出端與鋁基板固定孔之間就近布置Y電容，確保接地銅箔盡量短且粗。