正確的電路板布板降低開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的EMI

在圖1b中，開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓vlx以及晶體管電流i1和i2為方波，具有高頻分量。電感電流i3是三角波，也是可能的噪聲源。這些波形能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率，但是從emi的角度看，卻存在很大問題。

一個(gè)理想的轉(zhuǎn)換器不會產(chǎn)生外部電磁場，只在輸入端吸收直流電流。開關(guān)動作限制在轉(zhuǎn)換器模塊內(nèi)部。電路設(shè)計(jì)人員和布板工程師應(yīng)負(fù)責(zé)保證達(dá)到這一目標(biāo)：

lx節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電場輻射，所有其他節(jié)點(diǎn)的電壓保持不變。縮小節(jié)點(diǎn)面積，并在鄰近設(shè)置地平面可以直接限制該電場(電場會被該平面吸收)。但是也不能太近，否則會增加雜散電容，降低效率，導(dǎo)致lx電壓振鈴。節(jié)點(diǎn)太小產(chǎn)生串聯(lián)阻抗，也應(yīng)避免這種情況。

i1到i3產(chǎn)生磁場輻射。每一電流環(huán)路pcb布板的雜散電感決定了場強(qiáng)。電路環(huán)路之間的非金屬區(qū)域應(yīng)盡可能的小，而走線寬度應(yīng)盡可能大，以達(dá)到最低磁場強(qiáng)度。電感(l)本身應(yīng)有良好的磁場限制能力，這由電感結(jié)構(gòu)決定，而不取決于pcb布板問題。

圖1a.

傳導(dǎo)emi是導(dǎo)致失敗的主要原因。電容cin和cout無法為開關(guān)電流i1和i3提供低阻時(shí)，將產(chǎn)生該問題。這些電流流至上游和下游電路。阻抗包括電容本身(含雜散電容)以及pcb的雜散阻抗。pcb雜散電感決定了阻抗，應(yīng)盡量減小該電感，這同時(shí)也降低了磁場輻射。開關(guān)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部應(yīng)避免出現(xiàn)過孔，這是因?yàn)檫^孔的感應(yīng)系數(shù)較大?？梢栽陧攲?元件層為電源的快速電流建立局部平面來解決這一問題。smt元件可直接連接在這些平面上。通路必須寬而且短以降低電感。過孔用于連接本地平面和電源以外的系統(tǒng)平面。其雜散電感有助于將快速電流限制在頂層?？梢栽陔姼兄車尤脒^孔，降低其阻抗效應(yīng)。產(chǎn)生傳導(dǎo)emi的另一原因來自地平面，快速開關(guān)電流引起電壓尖峰。開關(guān)電流必須與外部電路共用任一通路，包括地平面。其解決方法還是在轉(zhuǎn)換器邊界內(nèi)部的頂層設(shè)置一個(gè)局部電源地平面，在一點(diǎn)連接至系統(tǒng)地平面，這一點(diǎn)通常是在輸出電容處。

其他元件包括控制器ic、偏置和反饋/補(bǔ)償元件等，這些都是低電平信號源。為避免串?dāng)_，這些元件應(yīng)與功率元件分開放置，以控制器ic隔斷它們。一種方法是將功率元件放置在控制器的一側(cè)，低電平信號元件放置在另一側(cè)?？刂破鱥c的門驅(qū)動輸出以開關(guān)頻率吸收和源出大電流尖峰，應(yīng)減小ic和開關(guān)晶體管之間的距離。反饋和補(bǔ)償引腳等大阻抗節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量小，與功率元件保持較遠(yuǎn)的距離，特別是在開關(guān)節(jié)點(diǎn)lx上。直流-直流控制器ic一般具有兩個(gè)地引腳gnd和pgnd。方法是將低電平信號地與電源地分離。當(dāng)然，還要為低電平信號設(shè)置另一模擬地平面，不用設(shè)在頂層，可以使用過孔。模擬地和電源地應(yīng)只在一點(diǎn)連接，一般是在pgnd引腳。在極端情況(大電流)下，可以采用一個(gè)純單點(diǎn)地，在輸出電容處連接局部地、電源地和系統(tǒng)地平面。

以下布板指南總結(jié)了上面的討論(較好的數(shù)據(jù)手冊中也會有相似的pcb指南):

功率元件布局布線。開始先放置開關(guān)晶體管q1和q2、電感l(wèi)和輸入輸出電容cin和cout。這些元件盡可能的靠近放置，特別是q2、cin和cout的地連接，以及cin和q1的連接。然后，為電源地、輸入、輸出和lx節(jié)點(diǎn)設(shè)置頂層連接，采用短而寬的走線連接至頂層。

低電平信號元件布局布線?？刂破鱥c應(yīng)靠近開關(guān)晶體管放置。低電平信號元件放置在控制器的另一側(cè)。應(yīng)盡量減小大阻抗節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)離lx節(jié)點(diǎn)放置。在適當(dāng)?shù)膶由显O(shè)置模擬地，在一點(diǎn)連接至電源地。

下面舉例說明上面采用的方法。max1954是低成本電流模式pwm控制器ic，適用于消費(fèi)類以及電信和工業(yè)應(yīng)用。圖2所示為max1954評估板原理圖，圖3所示為電路板布板。它能夠提供5a電流。評估板可以從低電壓(vin)或者高電壓分配總線(vhsd)上選擇輸入電源。

先找到功率元件：雙開關(guān)晶體管n1、電感l(wèi)1、輸入電容c3和輸出電容c5。c3的位置非常關(guān)鍵；應(yīng)盡可能近的直接與上面mosfet漏極和下面mosfet源極并聯(lián)。這樣做的目的是消除上面mosfet打開時(shí)由于對下面mosfet體二極管恢復(fù)充電產(chǎn)生的快速開關(guān)峰值電流。這些元件放置在圖3中布板的右側(cè)。所有連接都在頂層完成(紅色)。右上角的lx節(jié)點(diǎn)直接放置在系統(tǒng)地平面的頂層，由頂層vhsd和pgnd節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步將其與下面的區(qū)域隔離。

低電平信號相關(guān)元件放置在布板左側(cè)。max1954控制器引出直接將低電平信號和電源電流分開。低電平信號和電源區(qū)之間放置控制器u1。r1和r2的中間點(diǎn)是反饋節(jié)點(diǎn)，做的比較小。補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)(c7, c8和r3)也做的比較小。為了便于觀察，沒有畫出模擬地，它位于中間層，通過過孔與元件連接。

電源地和低電平模擬地平面在布板中分開，但還是在原理圖中以不同的符號表示。頂層電源地、模擬地平面和系統(tǒng)電源地平面在右下角連接在一起。

由于雜散電感和電容，開關(guān)節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生能夠?qū)е耬mi的高頻(40mhz至100mhz)振鈴?？梢栽诿總€(gè)mosfet上并聯(lián)一個(gè)簡單的rc減振器電路，以阻尼高頻振鈴。為了阻尼vlx上升沿振鈴，在下面的mosfet兩端并聯(lián)一個(gè)rc減振器。同樣的，為阻尼vlx下降沿振鈴，在上面的mosfet兩端并聯(lián)一個(gè)rc減振器。增加元件意味著增加成本，可根據(jù)需要只加入rc減振器。選擇合適的rc減振器電路不會對效率造成太大的影響，這是因?yàn)殡s散能量也會在電路中釋放掉，只是時(shí)間長一些。

注釋
1交換輸入和輸出電壓后，該指南可直接應(yīng)用于升壓轉(zhuǎn)換器。