工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)EMI性能的提升及PCB布局優(yōu)化

電源設(shè)計工程師通常在汽車系統(tǒng)中使用一些DC/DC降壓變換器來為多個電源軌提供支持。然而，在選擇這些類型的降壓轉(zhuǎn)換器時需要考慮幾個因素。例如，一方面需要為汽車信息娛樂系統(tǒng)/主機單元選擇高開關(guān)頻率DC/DC變換器（工作頻率高于2 MHz），以避免干擾無線電AM頻段;另一方面，還需要通過選擇相對較小的電感器來減小解決方案尺寸。此外，高開關(guān)頻率DC/DC降壓變換器還可以幫助減少輸入電流紋波，從而優(yōu)化輸入電磁干擾（EMI）濾波器的尺寸。

然而，對于正在嘗試創(chuàng)建最新汽車系統(tǒng)的大型汽車原始設(shè)計制造商（ODM）來說，符合所要求的EMI標準至關(guān)重要。這些要求非常嚴格，制造商必須遵守諸多標準，如國際無線電干擾特別委員會（CISPR） 25標準。在很多情況下，如果制造商不符合標準，汽車制造商就無法接受相應(yīng)的設(shè)計。

因此，對于DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的EMI性能提升，PCB布局至關(guān)重要。而要獲得良好的EMI性能，優(yōu)化大電流功率回路，減小寄生參數(shù)對于環(huán)路的影響是關(guān)鍵。

以LMR14030-Q1構(gòu)成的兩路輸出降壓轉(zhuǎn)換器DC/DC降壓變換器為例，如圖1和圖2所示的兩種不同的印刷電路板（PCB）布局。紅線顯示的是功率回路在布局中的流動方式。圖1中功率回路的流動方向呈U型，而圖2中的流動方向呈I型。這兩種布局是汽車和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中最常見的布局。那么，哪一種布局更好呢？

圖 1：U型布局

圖 2：I型布局

傳導(dǎo)EMI被分為差模和共模兩種類型，差模噪聲源自電流變化率（di/dt），而共模噪聲則源自電壓變化率（dv/dt）。而無論是di/dt還是dv/dt， EMI性能的關(guān)鍵點在于如何盡量減小寄生電感。

圖3是降壓變換器的等效電路。大多數(shù)設(shè)計人員都知道如何盡量減小高頻回路中Lp1、Lp3、Lp4和Lp5的寄生電感，但忽略了Lp2和Lp6。對于兩種不同的布局U型和I型，U型布局的Lp2和Lp6上的寄生電感相較于I型布局更小。在U型布局中，減小開關(guān)管Q1導(dǎo)通時的功率回路也將有助于提高EMI性能。

圖 3：降壓變換器等效電路

為了驗證最佳布局，測量EMI數(shù)據(jù)顯得至關(guān)重要。圖4和圖5對一個兩路輸出的變換器傳導(dǎo)EMI進行了對比。同時，該電路采用移相控制，減小輸入電流紋波，從而優(yōu)化輸入濾波器。從測試結(jié)果可以看出，U型布局的EMI性能優(yōu)于I型布局的EMI性能，尤其是在高頻的部分。

圖 4：移相控制下的U型EMI性能

圖 5：移相控制下的I型EMI性能

加入EMI濾波器可以有效地提高EMI性能。圖6所示為一款簡化版EMI濾波器，其中包括一個共模（CM）濾波器和一個差模（DM）濾波器。一般來說，差模濾波器的噪聲小于30MHz，共模濾波器的噪聲范圍為30MHz至100MHz。兩個濾波器都會影響EMI需要限制的整個頻段。圖7和圖8分別對帶有共模濾波器和差模濾波器的傳導(dǎo)性EMI進行了對比。U型布局可以符合CISPR 25 3類標準，而I型布局則不符合。

圖 6：簡化的EMI濾波器

圖 7：采用差模和共模濾波器的U型布局的EMI性能

圖 8：采用差模和共模濾波器的I型布局的EMI性能

本文比較了移相控制下的雙路輸出降壓變換器兩種不同的PCB布局，可以看出，U型布局的EMI性能優(yōu)于I型布局。