正確的電路布板降低開關模式轉(zhuǎn)換器的EMI
——
加入技術交流群
EMI規(guī)范描述了頻域通過測試/失效模板，分為兩個頻率范圍。在150kHz至30MHz低頻段，測量線路的交流傳導電流。在30MHz至1GHz高頻段，測量輻射電磁場。電路節(jié)點電壓產(chǎn)生電場，而磁場由電流產(chǎn)生。存在問題最大的是階躍波(例如，方波)，產(chǎn)生的諧波能夠達到很高頻率。
為了確定EMI輻射源，我們先研究圖
圖
在圖1b中，開關節(jié)點電壓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。{{分頁}}
圖1b. 降壓轉(zhuǎn)換器的電流和電壓波形。開關晶體管電流I1和和I2，以及開關節(jié)點電壓VLX接近方波，是可能的EMI輻射源。
一個理想的轉(zhuǎn)換器不會產(chǎn)生外部電磁場，只在輸入端吸收直流電流。開關動作限制在轉(zhuǎn)換器模塊內(nèi)部。電路設計人員和布板工程師應負責保證達到這一目標：
LX節(jié)點產(chǎn)生電場輻射，所有其他節(jié)點的電壓保持不變?？s小節(jié)點面積，并在鄰近設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，導致LX電壓振鈴。節(jié)點太小產(chǎn)生串聯(lián)阻抗，也應避免這種情況。
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。電路環(huán)路之間的非金屬區(qū)域應盡可能的小，而走線寬度應盡可能大，以達到最低磁場強度。電感(L)本身應有良好的磁場限制能力，這由電感結(jié)構決定，而不取決于PCB布板問題。
傳導EMI是導致失敗的主要原因。電容CIN和COUT無法為開關電流I1和I3提供低阻時，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，應盡量減小該電感，這同時也降低了磁場輻射。開關轉(zhuǎn)換器內(nèi)部應避免出現(xiàn)過孔，這是因為過孔的感應系數(shù)較大?？梢栽?span id="ox2lj4u" class=GramE>頂層/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。產(chǎn)生傳導EMI的另一原因來自地平面，快速開關電流引起電壓尖峰。開關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)部的頂層設置一個局部電源地平面，在一點連接至系統(tǒng)地平面，這一點通常是在輸出電容處。{{分頁}}
其他元件包括控制器IC、偏置和反饋/補償元件等，這些都是低電平信號源。為避免串擾，這些元件應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)。控制器IC的門驅(qū)動輸出以開關頻率吸收和源出大電流尖峰，應減小IC和開關晶體管之間的距離。反饋和補償引腳等大阻抗節(jié)點應盡量小，與功率元件保持較遠的距離，特別是在開關節(jié)點LX上。直流-直流控制器IC一般具有兩個地引腳GND和PGND。方法是將低電平信號地與電源地分離。當然，還要為低電平信號設置另一模擬地平面，不用設在頂層，可以使用過孔。模擬地和電源地應只在一點連接，一般是在PGND引腳。在極端情況(大電流)下，可以采用一個純單點地，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):
1. 功率元件布局布線。開始先放置開關晶體管Q1和Q2、電感L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)點設置頂層連接，采用短而寬的走線連接至頂層。
2. 低電平信號元件布局布線?？刂破?/SPAN>IC應靠近開關晶體管放置。低電平信號元件放置在控制器的另一側(cè)。應盡量減小大阻抗節(jié)點，遠離LX節(jié)點放置。在適當?shù)膶由显O置模擬地，在一點連接至電源地。
評論