在高頻轉換器中如何保持信號完整性和降低EMI

DC-DC轉換器可以實現(xiàn)各種電壓電平的高效電源轉換和供電，但是隨著需求的不斷上升，需要更高功率密度更高效率以及更小的尺寸，DC-DC轉換的PCB設計就更為重要了。下面說一說DC-DC轉換器PCB設計的一些要點：

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走線長度

在高頻轉換器中，承載高速開關信號的走線長度對于保持信號完整性和降低EMI至關重要。

較長的走線可以充當天線并輻射電磁能量，可能會對其他組件或電路造成干擾，此外，較長的走線可能會引起延遲、信號反射、寄生效應，從而導致轉換器效率和穩(wěn)定性降低。

因此走線長度應該盡可能短，尤其是對于高速時鐘和數(shù)據(jù)時鐘，適當?shù)淖杩蛊ヅ浼夹g和受控阻抗走線可進一步優(yōu)化信號傳輸并最大限度地減少信號衰減。

環(huán)路區(qū)域

環(huán)路區(qū)域是指PCB上的信號走線及其返回路徑形成的封閉區(qū)域，在DC-DC轉換器等高功率和高頻電路中，最小化環(huán)路面積對于降低輻射EMI至關重要。

越大的環(huán)路面積會導致更多的磁通量與環(huán)路耦合，從而導致更高的EMI。

最小化環(huán)路面積的主要措施是：通過將信號走線放置在靠近其返回路徑的位置(例如利用接地層/緊密間隔的電源層)來最小化環(huán)路面積。

器件選擇和電容擺放

在關鍵信號和電源線中添加鐵氧體磁珠和共模扼流圈等濾波器組件可以減弱傳導電磁干擾并防止進一步傳播。連接濾波電容時，正確的位置對于濾除EMI至關重要。

濾波元器件應該盡可能靠近DC-DC轉換器放置，在IC和有源元件的電源引腳附近正確放置去耦電容有助于抑制高頻噪聲并提高EMI性能。

去耦電容的放置

寄生電感

寄生電感是導電路徑(例如跡線/電線)的固有電感，取決于其物理尺寸和材料特性。在DC-DC轉換器等高頻電路中，路徑電感會影響轉換器的效率和性能。

高寄生電感會導致電壓下降，開關損耗增加以及轉換器效率降低，還有可能導致電路中的電壓過沖和振鈴，影響信號完整性。

為了最大限度地減少寄生電感，PCB工程師可以使用更寬的走線，更短的路徑，或者利用專用的接地層/電源層為高電流/開關信號創(chuàng)建低電感返回路徑。

DC-DC 轉換器接地環(huán)路的影響

在設計DC-DC轉換器時，PCB工程師必須要考慮電流環(huán)路并正確放置組件，這樣可以讓環(huán)路在物理上盡可能小。

DC-DC轉換器中的電流環(huán)路

接地環(huán)路過長會導致以下問題：

· 電磁干擾：接地環(huán)路可以充當天線，導致EMI輻射到周圍環(huán)境中。

· 噪聲和信號衰減：流經(jīng)接地環(huán)路的電流會在不同接地點之間產生電壓差，可能會導致不需要的噪聲被引入敏感信號路徑，從而導致信號衰減和信噪比降低。

· 共模噪聲：接地環(huán)路可能導致共模噪聲耦合到敏感的模擬或數(shù)字電路中。這種噪聲會破壞信號精度，尤其是在低電平模擬測量或高速數(shù)字通信中。

· 寄生接地電流：循環(huán)電流可以在不同接地點之間流動，從而導致寄生接地電流。寄生電流會產生電壓降并影響轉換器的性能，從而導致效率低下和潛在的熱問題。

· 接地反彈：接地環(huán)路可能會導致接地參考平面之間存在電壓差，從而導致接地反彈。接地反彈是指開關期間接地電壓的瞬態(tài)增加，這可能會破壞信號完整性并影響數(shù)字電路的正常運行。

緩解措施

地平面：在PCB上使用堅固的接地層可確保電流的低阻抗返回路徑，從而降低接地環(huán)路的風險。

地面分割：對不同功能塊或組件的接地層進行適當?shù)姆指羁梢苑乐菇拥仉娏飨嗷ジ蓴_。

將模擬地和數(shù)字地隔離：在物理上分離模擬和數(shù)字接地層可以防止敏感模擬電路和噪聲數(shù)字電路之間的干擾。

跟蹤路由：確保承載高電流或高頻信號的走線具有低電感返回路徑(例如，使用短而寬的走線或接地過孔)有助于最大限度地減少接地環(huán)路的可能性。

總結來說，走線長度和環(huán)路面積是DC-DC轉換器(尤其是高頻開關轉換器)PCB設計中的關鍵因素。