低EMI DC/DC變換器PCB設(shè)計(jì)

概述

由于每個(gè)開(kāi)關(guān)電源都會(huì)產(chǎn)生寬頻帶噪聲，所以，想要將汽車電路板網(wǎng)絡(luò)中DC/DC變換器集成到汽車控制裝置中的同時(shí)，還能滿足汽車OEM的EMC標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)直是難上加難。

通常，DC/DC變換器和其他高速電路的噪聲會(huì)通過(guò)有效天線路徑的連接電纜傳播輻射。為了阻斷這些潛在輻射路徑，就需要在每個(gè)電纜連接處過(guò)濾掉噪聲。因?yàn)橹挥性肼曉吹拇艌?chǎng)和電場(chǎng)沒(méi)有耦合到濾波器件或電纜中時(shí)，此種濾波才有效。

在近場(chǎng)環(huán)境中，場(chǎng)強(qiáng)的下降與距離平方的倒數(shù)成正比(1/d2)。因此，噪聲源、濾波器件和連接器之間必須有一個(gè)最小距離。

但實(shí)際上，通常會(huì)根據(jù)機(jī)械尺寸提前定義好PCB尺寸和電纜連接器的位置。另外，在PCB的某些區(qū)域中，最大元器件的高度可能非常有限，還有可能無(wú)法雙面組裝。這時(shí)，需仔細(xì)布局元器件的位置和PCB走線 - 尤其針對(duì)汽車制造等高標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)。

布局規(guī)劃

為避免直接將DC/DC變換器中的電場(chǎng)磁場(chǎng)耦合進(jìn)連接器和電纜，電路請(qǐng)務(wù)必盡遠(yuǎn)離PCB連接點(diǎn)布置（見(jiàn)圖1）。

圖1噪聲源離連接器和電纜越遠(yuǎn)越好

距離或額外的屏蔽能降低電磁兼容濾波器、連接器和電纜的場(chǎng)強(qiáng)?？梢钥紤]用屏蔽代替距離！

最好至少使用4層板、兩端貼片的PCB，這樣，DC/DC電路和濾波器件就可以放在板子的反面。其中，至少有一層應(yīng)為全部的GND，以便最大限度地降低噪聲源到濾波電路的交叉耦合。

在DC/DC電路必須非?？拷B接器的系統(tǒng)中，一定要在設(shè)計(jì)早期考慮好有效的屏蔽。散熱片有時(shí)也可以用于屏蔽。理想情況下，電感、帶功率MOSFET的DC/DC IC及其去耦電容都應(yīng)放在屏蔽層的下方。

PCB布局指南

在降壓變換器中，主要場(chǎng)源有：

高di/dt環(huán)路（熱環(huán)路），由兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)和輸入電容組成，輻射寬帶磁場(chǎng)

功率FET與電感之間的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，帶有強(qiáng)電場(chǎng)輻射

電感，輻射電場(chǎng)和磁場(chǎng)

交流磁場(chǎng)通過(guò)固體金屬區(qū)域屏蔽，允許感應(yīng)渦流。由于其高導(dǎo)電性，所以銅非常有效。PCB中返回固定電位的電位差路徑中的任何導(dǎo)體都能有效地屏蔽電場(chǎng)輻射。

任何高di/dt環(huán)路都會(huì)輻射與環(huán)路面積和電流幅度成比例的磁場(chǎng)。將輸入電容靠近兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)，并使用低阻抗連接，以最大限度地減小天線環(huán)路面積。

為了進(jìn)一步減少來(lái)自該回路的磁場(chǎng)，需要在電源開(kāi)關(guān)處對(duì)稱放置兩組電容。理想情況下，兩個(gè)回路中的峰值電流為原始值的一半，能將磁場(chǎng)降低至6 dB。而且兩個(gè)環(huán)路的方向相反，可以進(jìn)一步減少輻射磁場(chǎng)[1]。

在DC/DC電路的下一層中應(yīng)該有一個(gè)完整的GND區(qū)域，且間隔需小于100μm。在此鋪銅區(qū)域中，流過(guò)電路元器件和PCB走線的高di/dt電流會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流與元器件側(cè)的原始電流相反，它們的磁場(chǎng)會(huì)抵消原始磁場(chǎng)。如果渦流能夠在最近的距離內(nèi)對(duì)元器件側(cè)的高di/dt回路電流進(jìn)行鏡像，則效果最佳。這可以減少來(lái)自PCB元器件側(cè)的磁場(chǎng)輻射。在理想情況下（超導(dǎo)、零距離且兩個(gè)環(huán)路完美匹配），輻射將被來(lái)自渦流的磁場(chǎng)抵消。

在DC/DC電路的下一層中應(yīng)該有一個(gè)完整的GND區(qū)域，且間隔需小于100μm。在此鋪銅區(qū)域中，流過(guò)電路元器件和PCB走線的高di/dt電流會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流與元器件側(cè)的原始電流相反，它們的磁場(chǎng)會(huì)抵消原始磁場(chǎng)。如果渦流能夠在最近的距離內(nèi)對(duì)元器件側(cè)的高di/dt回路電流進(jìn)行鏡像，則效果最佳。這可以減少來(lái)自PCB元器件側(cè)的磁場(chǎng)輻射。在理想情況下（超導(dǎo)、零距離且兩個(gè)環(huán)路完美匹配），輻射將被來(lái)自渦流的磁場(chǎng)抵消。

多層PCB的3D視圖說(shuō)明了這一概念(圖 2)。

圖2 3D PCB視圖 - 布局是電路的一部分

頂層為輸入電容（CIN）、兩個(gè)功率FET連接VIN區(qū)域以及PGND區(qū)域（以紅色顯示），它們通過(guò)過(guò)孔連接到內(nèi)層。對(duì)于VIN路徑，過(guò)孔后面的元件必須為電感（例如1μH至2μH的線圈）。來(lái)自開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的高di/dt電流僅在CIN中流動(dòng)，并不在PCB上流動(dòng)。

PGND區(qū)域不直接連接到元件側(cè)的任何其他GND，只通過(guò)過(guò)孔連接到DC/DC模塊下的PGND區(qū)域（以藍(lán)色顯示）。這樣可以把高頻電流限制在在元件側(cè)，將噪聲與“外部世界”分開(kāi)。PCB至少一層應(yīng)該全是GND，以提供低阻抗的系統(tǒng)基準(zhǔn)。請(qǐng)記住，布局也是電路的一部分。

應(yīng)在電感下方鋪銅嗎？

某些PCB布局會(huì)預(yù)設(shè)置不得在電感核心下方鋪銅。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題觀點(diǎn)不一，有的認(rèn)為完全不能鋪銅，而有的則覺(jué)得可以在PCB元件側(cè)線圈正下方鋪銅。

圖 3線圈下沒(méi)有鋪銅的4層PCB

圖 3顯示了線圈周圍的磁場(chǎng)圖，在4層PCB的任何層中線圈下方都沒(méi)有鋪銅。來(lái)自線圈的強(qiáng)磁場(chǎng)線出現(xiàn)在PCB的底部以及靠近PCB的地方，并耦合到任何連接的線徑中。PCB上的濾波器組件被空氣旁路。這使得滿足汽車OEM EMC目標(biāo)實(shí)施起來(lái)非常困難，幾乎不可能。

圖 4顯示的PCB布局中，銅直接位于元件側(cè)的線圈下方。

圖 4PCB線圈下方鋪銅的影響

這為渦流提供了一個(gè)區(qū)域，可以用于消除已經(jīng)產(chǎn)生的PCB外部磁場(chǎng)。內(nèi)層2和底層是干凈的。EMC濾波器組件可以有效地放置在底部。渦電流的磁場(chǎng)稍微降低了線圈的有效電感（通常小于5％）。渦流還會(huì)在GND銅中產(chǎn)生一些損耗。直接在電感核心下面鋪銅的另一個(gè)缺點(diǎn)是增加了繞組到GND的寄生電容。然而，在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，由于電容非常低，這個(gè)影響并不大。

責(zé)任編輯：彭菁