正確的電路板布板降低開(kāi)關(guān)模式轉換器的EMI

在圖1b中，開(kāi)關(guān)節點(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。這些波形能夠實(shí)現較高的效率，但是從emi的角度看，卻存在很大問(wèn)題。

一個(gè)理想的轉換器不會(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)作限制在轉換器模塊內部。電路設計人員和布板工程師應負責保證達到這一目標：

lx節點(diǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)輻射，所有其他節點(diǎn)的電壓保持不變?？s小節點(diǎn)面積，并在鄰近設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，導致lx電壓振鈴。節點(diǎn)太小產(chǎn)生串聯(lián)阻抗，也應避免這種情況。

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。電路環(huán)路之間的非金屬區域應盡可能的小，而走線(xiàn)寬度應盡可能大，以達到最低磁場(chǎng)強度。電感(l)本身應有良好的磁場(chǎng)限制能力，這由電感結構決定，而不取決于pcb布板問(wèn)題。

圖1a.

傳導emi是導致失敗的主要原因。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)轉換器內部應避免出現過(guò)孔，這是因為過(guò)孔的感應系數較大?？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?chē)尤脒^(guò)孔，降低其阻抗效應。產(chǎn)生傳導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換器邊界內部的頂層設置一個(gè)局部電源地平面，在一點(diǎn)連接至系統地平面，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/補償元件等，這些都是低電平信號源。為避免串擾，這些元件應與功率元件分開(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，低電平信號元件放置在另一側?？刂破鱥c的門(mén)驅動(dòng)輸出以開(kāi)關(guān)頻率吸收和源出大電流尖峰，應減小ic和開(kāi)關(guān)晶體管之間的距離。反饋和補償引腳等大阻抗節點(diǎn)應盡量小，與功率元件保持較遠的距離，特別是在開(kāi)關(guān)節點(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地與電源地分離。當然，還要為低電平信號設置另一模擬地平面，不用設在頂層，可以使用過(guò)孔。模擬地和電源地應只在一點(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、電源地和系統地平面。

以下布板指南總結了上面的討論(較好的數據手冊中也會(huì )有相似的pcb指南):

功率元件布局布線(xiàn)。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節點(diǎn)設置頂層連接，采用短而寬的走線(xiàn)連接至頂層。

低電平信號元件布局布線(xiàn)?？刂破鱥c應靠近開(kāi)關(guān)晶體管放置。低電平信號元件放置在控制器的另一側。應盡量減小大阻抗節點(diǎn)，遠離lx節點(diǎn)放置。在適當的層上設置模擬地，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，適用于消費類(lèi)以及電信和工業(yè)應用。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(xiàn)(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)由于對下面mosfet體二極管恢復充電產(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。所有連接都在頂層完成(紅色)。右上角的lx節點(diǎn)直接放置在系統地平面的頂層，由頂層vhsd和pgnd節點(diǎn)進(jìn)一步將其與下面的區域隔離。

低電平信號相關(guān)元件放置在布板左側。max1954控制器引出直接將低電平信號和電源電流分開(kāi)。低電平信號和電源區之間放置控制器u1。r1和r2的中間點(diǎn)是反饋節點(diǎn)，做的比較小。補償節點(diǎn)(c7, c8和r3)也做的比較小。為了便于觀(guān)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表示。頂層電源地、模擬地平面和系統電源地平面在右下角連接在一起。

由于雜散電感和電容，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)將產(chǎn)生能夠導致emi的高頻(40mhz至100mhz)振鈴?？梢栽诿總€(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(zhù)增加成本，可根據需要只加入rc減振器。選擇合適的rc減振器電路不會(huì )對效率造成太大的影響，這是因為雜散能量也會(huì )在電路中釋放掉，只是時(shí)間長(cháng)一些。

注釋
1交換輸入和輸出電壓后，該指南可直接應用于升壓轉換器。