正確的電路板布板降低開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的EMI

摘要：元件布局和電路板布板直接影響開關(guān)轉(zhuǎn)換器的EMI性能。本文介紹的方法有助于降低電磁輻射以及傳導(dǎo)EMI。

當(dāng)今幾乎所有的電子系統(tǒng)中都用到了開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器，該器件功率轉(zhuǎn)換效率較高，得到了普遍應(yīng)用。然而，它也有噪聲大和不穩(wěn)定的缺點，很難通過EMI認(rèn)證。這些問題大部分源自元件布局(不包括元件質(zhì)量差的情況)和電路板布板。一個完美的專業(yè)設(shè)計可能會因為電路板的寄生效應(yīng)而遭到淘汰。良好的布板不但有助于通過EMI認(rèn)證，還可以幫助實現(xiàn)正確的功能。為理解這一問題，需要回顧EMI規(guī)范，確定一個典型DC-DC轉(zhuǎn)換器的潛在EMI來源。我們選擇降壓轉(zhuǎn)換器作為一個例子(可直接應(yīng)用于升壓轉(zhuǎn)換器，也可以方便的應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu))。本文給出DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本布板指南，以及一個實際例子。

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(dǎo)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(dá)到很高頻率。

為了確定EMI輻射源，我們先研究圖1a中降壓轉(zhuǎn)換器1的原理圖。開關(guān)電源工作時，晶體管Q1和Q2作為開關(guān)，而不是工作在線性模式。晶體管的電流和電壓均類似于方波，但是相位不一致，以降低功耗。

圖1a. 在該降壓轉(zhuǎn)換器原理圖中，互補(bǔ)驅(qū)動信號控制開關(guān)晶體管Q1和Q2，使其工作在開關(guān)狀態(tài)下，以達(dá)到較高的效率。

在圖1b中，開關(guān)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。

圖1b. 降壓轉(zhuǎn)換器的電流和電壓波形。開關(guān)晶體管電流I1和和I2，以及開關(guān)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(guān)動作限制在轉(zhuǎn)換器模塊內(nèi)部。電路設(shè)計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)點產(chǎn)生電場輻射，所有其他節(jié)點的電壓保持不變。縮小節(jié)點面積，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。

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，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，這是因為過孔的感應(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。

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)?？刂破鱅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(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(guān)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(shè)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。控制器IC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，遠(yuǎn)離LX節(jié)點放置。在適當(dāng)?shù)膶由显O(shè)置模擬地，在一點連接至電源地。

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。

圖2. 大電流降壓轉(zhuǎn)換器MAX1954評估板原理圖。請注意不同的地符號。

先找到功率元件：雙開關(guān)晶體管N1、電感L1、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)點直接放置在系統(tǒng)地平面的頂層，由頂層VHSD和PGND節(jié)點進(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的中間點是反饋節(jié)點，做的比較小。補(bǔ)償節(jié)點(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。

圖3. MAX1954評估板布板舉例說明了布板規(guī)則。電路板由四層組成：紅色是頂層；藍(lán)色是底層；黑色是系統(tǒng)地平面(中間層)；為便于觀察，沒有畫出模擬地平面(中間層)。

由于雜散電感和電容，開關(guān)節(jié)點將產(chǎn)生能夠?qū)е翬MI的高頻(40MHz至100MHz)振鈴?？梢栽诿總€MOSFET上并聯(lián)一個簡單的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，這是因為雜散能量也會在電路中釋放掉，只是時間長一些。

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。