使用電源模塊簡(jiǎn)化低EMI設計

　　圖6中曲線(xiàn)圖的紅線(xiàn)表示不良布局的EMI輻射。藍線(xiàn)表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個(gè)環(huán)路面積會(huì )產(chǎn)生巨大的影響。LMR23630轉換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。

　　圖7.不同類(lèi)型電源模塊的內部組成。在這兩種情況下，電感器均位于IC晶片的頂部。

　　因此，在采用降壓轉換器或降壓電源模塊進(jìn)行設計時(shí)，如何放置輸入電容器應該是首要考慮因素之一。電源模塊還具有以下優(yōu)點(diǎn)：電感器和IC之間的關(guān)鍵環(huán)路面積已經(jīng)過(guò)優(yōu)化。電感器在封裝內部與集成電路連接(見(jiàn)圖7)。這種放置方式會(huì )在封裝內部形成一個(gè)較小的環(huán)路區域。因此，不必將噪聲開(kāi)關(guān)節點(diǎn)布線(xiàn)在印刷電路板上。

　　電源模塊中屏蔽了其中的大多數電感器，以防止來(lái)自線(xiàn)圈的電磁輻射。在非?？拷姼衅鞯牡胤綍?huì )發(fā)生高電流電壓轉換，并且開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的一部分電磁場(chǎng)受到屏蔽，電感器位于引線(xiàn)框架的頂部(見(jiàn)圖7)。

　　快速的電壓和電流瞬變

　　快速瞬變會(huì )導致開(kāi)關(guān)節點(diǎn)發(fā)生振鈴，從而產(chǎn)生EMI。在某些情況下，轉換器可連接至啟動(dòng)引腳。將一個(gè)電阻器與啟動(dòng)電容器串聯(lián)放置會(huì )增加上升時(shí)間(dt)，在降低EMI的同時(shí)損失了效率。

　　圖8.將啟動(dòng)電阻器添加到LMR23630轉換器開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的影響。EMI輻射較低，但由于開(kāi)關(guān)損耗較高，因此效率有所降低。

　　圖8顯示了LMR23630 EVM的EMI輻射掃描。對布局進(jìn)行更改后，將輸入電容器放在距引腳約2.5厘米遠的位置，以模擬不良布局，并展示啟動(dòng)電容器的放置將如何影響EMI特性。在設計中多放一個(gè)啟動(dòng)電容器可能比完全改變布局更容易。建議您在設計時(shí)始終將啟動(dòng)電容器考慮進(jìn)去，以備不時(shí)之需。如果沒(méi)有，您可以使用0Ω電阻器來(lái)減少PCB上的空間。

　　將啟動(dòng)電阻器與啟動(dòng)電容器串聯(lián)可以降低EMI頻譜。某些頻率范圍中的發(fā)射會(huì )降低達6dB。圖8還顯示了效率平衡情況。使用30.1Ω的電阻器縮短上升時(shí)間dt，從而將效率降低1%以上。

　　看一下功率損耗就更能說(shuō)明這一點(diǎn)。滿(mǎn)載(3A)的功率損耗從1.9W增加到2.1W。功率損耗超過(guò)10%時(shí),可能會(huì )導致散熱問(wèn)題。

　　在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)引腳和接地引腳之間放置一個(gè)小型肖特基二極管可以降低反向恢復電流，從而降低同步轉換器中的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電流振鈴dI，但這樣會(huì )提高物料清單(BOM)成本?；蛘?，您可以添加一個(gè)緩沖網(wǎng)絡(luò )，其中包含一個(gè)位于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴的能量，但需要知道附加組件的振鈴頻率和正確計算。這種方法同樣會(huì )降低開(kāi)關(guān)電源的效率。

　　電流路徑中的寄生電感和電容

　　對于同步降壓轉換器，每個(gè)IC架構會(huì )產(chǎn)生不同強度的噪聲，表現為EMI輻射。但很難從數據表中找到這一項。大多數數據表都沒(méi)有提供EMI圖，因為PCB布局、BOM組件和其他因素會(huì )對EMI特性產(chǎn)生影響。幸運的話(huà)，EVM用戶(hù)指南會(huì )提供此特定設計的EMI特性圖。但如果您的設計與EVM的布局和BOM不匹配，您所設計的應用的EMI特性可能會(huì )有很大差異。電源模塊簡(jiǎn)化了布局，實(shí)現了快速簡(jiǎn)便的設計，因為您只需要考慮一些經(jīng)驗法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線(xiàn)或切口數量;必要時(shí)，將其設計為與電流方向保持平行(圖9)。

　　圖9.PCB中的切口和跡線(xiàn)會(huì )影響電流，因此也會(huì )影響輻射EMI。

　　保護噪聲敏感節點(diǎn)免受噪聲節點(diǎn)的影響

　　盡可能縮短噪聲敏感節點(diǎn)，并遠離噪聲節點(diǎn)。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡(luò )到反饋(FB)引腳的長(cháng)跡線(xiàn)可以充當天線(xiàn)并捕獲電磁輻射干擾的噪聲(圖10)。這種噪聲會(huì )被引入FB引腳，致使輸出端產(chǎn)生額外的噪聲，甚至使器件不穩定。在設計開(kāi)關(guān)降壓調節器的布局時(shí)，將這一切都考慮在內是一個(gè)挑戰。

　　表1.降壓轉換器中噪聲敏感節點(diǎn)和噪聲節點(diǎn)的示例。

　　圖10.始終將FB引腳上的電阻分壓器盡可能靠近FB引腳放置。

　　模塊的優(yōu)勢在于將噪聲敏感節點(diǎn)和噪聲節點(diǎn)保持在最低限度，從而最大限度地減小錯誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線(xiàn)盡可能短。

　　結論

　　在開(kāi)關(guān)降壓轉換器中有許多用來(lái)調節EMI的旋鈕，但用來(lái)實(shí)現最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會(huì )花費大量寶貴的設計時(shí)間。電源模塊早已包括FET和電感器，這就使得創(chuàng )建和完成具有良好EMI特性的電源設計變得簡(jiǎn)單而又快捷。使用降壓模塊進(jìn)行設計時(shí)最關(guān)鍵的一點(diǎn)是一些外部元件的放置方式，這有助于顯著(zhù)提高EMI特性。

　　轉換器和電源模塊的EMI比較

　　前文說(shuō)明了開(kāi)關(guān)電源中EMI的來(lái)源以及如何降低EMI?，F在，本文將通過(guò)比較轉換器和使用相同集成電路(IC)的電源模塊之間的測量結果，來(lái)演示模塊如何幫助減輕EMI輻射。兩者均來(lái)自TI的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品線(xiàn)，轉換器為L(cháng)MR23630，電源模塊為L(cháng)MZM33603，采用LMR23630 IC。通過(guò)對兩個(gè)器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數，因此結果僅取決于所選部件(轉換器或電源模塊)和布局。兩種EVM均具有良好的優(yōu)化布局。之后，將電容器放置在遠離輸入引腳的位置，就生成了不良布局。

　　LMR23630轉換器的性能

　　圖11.具有不同輸入電容布局的LMR23630轉換器的EMI輻射。

　　圖11顯示了不同設計布局的四種不同EMI頻譜。設計布局從優(yōu)至劣排列(類(lèi)似于圖5，只是把各步驟分開(kāi))。第一次測量(良好布局/藍線(xiàn))時(shí)，未對EVM的布局做出更改(良好布局中所有的輸入電容器都非?？拷斎胍_)。第二次測量(小電容器靠近/紅線(xiàn))時(shí)，兩個(gè)4.7μF電容器均放置在距輸入引腳2.5厘米處。0.22μF的小電容器非?？拷斎胍_。在第三(小電容器遠離/綠線(xiàn))和第四(無(wú)小電容器/紫線(xiàn))次測量時(shí)，小電容器分別距輸入引腳2.5厘米，然后完全移除。

　　您可以在圖11中看到輸入電容器的放置非常關(guān)鍵。將小輸入電容器遠離輸入引腳放置或將其完全移除會(huì )違背CISPR 22 A3M級標準。將小電容器靠近輸入引腳放置可以最大限度地減少高頻環(huán)路面積。小電容器可濾除高頻噪聲，而較大電容的電容器可濾除低頻噪聲。

　　電源模塊的封裝中通常包含一個(gè)小輸入電容器。讓我們看看布局不良時(shí)電源模塊的性能。

　　LMZM33603電源模塊的性能

　　圖12顯示了電源模塊的EVM布局，同樣從優(yōu)至劣排列。藍線(xiàn)表示未更改EVM的EMI輻射。紅線(xiàn)和綠線(xiàn)表示不良布局，其中一條線(xiàn)有兩個(gè)4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方(紅線(xiàn))。綠線(xiàn)的電容器距輸入引腳約3.5厘米(圖13中以紅色橢圓形突出顯示)。圖13中的紅色粗線(xiàn)還顯示了更改后的EVM，以及VIN、輸入電容器和接地之間形成的關(guān)鍵環(huán)路區域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級標準。

　　圖12.TI LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性

　　圖13.TI LMZM33603電源模塊的不良布局示例。

　　電源模塊可以補救布局設計錯誤

　　圖14在單個(gè)圖表中對LMR23630轉換器(紅線(xiàn))和LMZM33603電源模塊(藍線(xiàn))做出了對比。兩者均有類(lèi)似的不良布局，所有外部輸入電容器都遠離輸入引腳。

　　顯然，LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性要優(yōu)于LMR23630轉換器。盡管兩種布局均不完美，但電源模塊會(huì )通過(guò)CISPR測試，而轉換器無(wú)法通過(guò)測試。

　　圖14.比較TI LMR23630轉換器和LMZM33603電源模塊的EMI特性。

　　結論

　　正如前文所說(shuō)，為開(kāi)關(guān)電源創(chuàng )建良好的布局設計具有挑戰性。即使是經(jīng)驗豐富的工程師也容易犯錯，例如輸入電容器的放置位置不當。

　　電源模塊更有利于減少設計布局錯誤。在滿(mǎn)足EMI特性方面，它們是開(kāi)關(guān)電源的理想選擇，并且對高效利用設計時(shí)間至關(guān)重要。

　　如需閱讀創(chuàng )建良好布局降低EMI的其他文章，請查看應用報告，“DC/DC轉換器中降低EMI的AN-2155布局技巧”和“AN-643 EMI/RFI電路板設計”。

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