正確的電路板布板降低開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的EMI

當(dāng)今幾乎所有的電子系統(tǒng)中都用到了開(kāi)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(diǎn)，很難通過(guò) EMI認(rèn)證。這些問(wèn)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(gè)完美的專業(yè)設(shè)計(jì)可能會(huì)因?yàn)殡娐钒宓募纳?yīng)而遭到淘汰。良好的布板不但有助于通過(guò)EMI認(rèn)證，還可以幫助實(shí)現(xiàn)正確的功能。為理解這一問(wèn)題，需要回顧EMI規(guī)范，確定一個(gè)典型DC-DC轉(zhuǎn)換器的潛在EMI來(lái)源。我們選擇降壓轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)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(gè)實(shí)際例子。

EMI規(guī)范描述了頻域通過(guò)測(cè)試/失效模板，分為兩個(gè)頻率范圍。在150kHz至30MHz低頻段，測(cè)量線路的交流傳導(dǎo)電流。在30MHz至1GHz高頻段，測(cè)量輻射電磁場(chǎng)。電路節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，而磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生。存在問(wèn)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(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，晶體管Q1和Q2作為開(kāi)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(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)晶體管Q1和Q2，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，以達(dá)到較高的效率。

在圖1b中，開(kāi)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(wèn)題。

圖1b. 降壓轉(zhuǎn)換器的電流和電壓波形。開(kāi)關(guān)晶體管電流I1和和I2，以及開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓VLX接近方波，是可能的EMI輻射源。

一個(gè)理想的轉(zhuǎn)換器不會(huì)產(chǎn)生外部電磁場(chǎng)，只在輸入端吸收直流電流。開(kāi)關(guān)動(dòng)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(chǎng)輻射，所有其他節(jié)點(diǎn)的電壓保持不變?？s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(chǎng)(電場(chǎng)會(huì)被該平面吸收)。但是也不能太近，否則會(huì)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(chǎng)輻射。每一電流環(huán)路PCB布板的雜散電感決定了場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度。電感(L)本身應(yīng)有良好的磁場(chǎng)限制能力，這由電感結(jié)構(gòu)決定，而不取決于PCB布板問(wèn)題。

傳導(dǎo)EMI是導(dǎo)致失敗的主要原因。電容CIN和COUT無(wú)法為開(kāi)關(guān)電流I1和I3提供低阻時(shí)，將產(chǎn)生該問(wèn)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(chǎng)輻射。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部應(yīng)避免出現(xiàn)過(guò)孔，這是因?yàn)檫^(guò)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(lái)解決這一問(wèn)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(guò)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^(guò)孔，降低其阻抗效應(yīng)。產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI的另一原因來(lái)自地平面，快速開(kāi)關(guān)電流引起電壓尖峰。開(kāi)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(hào)源。為避免串?dāng)_，這些元件應(yīng)與功率元件分開(kāi)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(hào)元件放置在另一側(cè)?？刂破鱅C的門驅(qū)動(dòng)輸出以開(kāi)關(guān)頻率吸收和源出大電流尖峰，應(yīng)減小IC和開(kāi)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(kāi)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(hào)地與電源地分離。當(dāng)然，還要為低電平信號(hào)設(shè)置另一模擬地平面，不用設(shè)在頂層，可以使用過(guò)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(cè)中也會(huì)有相似的PCB指南):

功率元件布局布線。開(kāi)始先放置開(kāi)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(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(hào)元件布局布線?？刂破鱅C應(yīng)靠近開(kāi)關(guān)晶體管放置。低電平信號(hào)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(shuō)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(píng)估板原理圖，圖3所示為電路板布板。它能夠提供5A電流。評(píng)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(kāi)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(kāi)時(shí)由于對(duì)下面MOSFET體二極管恢復(fù)充電產(chǎn)生的快速開(kāi)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(hào)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(hào)和電源電流分開(kāi)。低電平信號(hào)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(méi)有畫(huà)出模擬地，它位于中間層，通過(guò)過(guò)孔與元件連接。

電源地和低電平模擬地平面在布板中分開(kāi)，但還是在原理圖中以不同的符號(hào)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。

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(méi)有畫(huà)出模擬地平面(中間層)。

由于雜散電感和電容，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生能夠?qū)е?strong>EMI的高頻(40MHz至100MHz)振鈴。可以在每個(gè)MOSFET上并聯(lián)一個(gè)簡(jiǎn)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(huì)對(duì)效率造成太大的影響，這是因?yàn)殡s散能量也會(huì)在電路中釋放掉，只是時(shí)間長(zhǎng)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。