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正確的電路布板降低開(kāi)關(guān)模式轉換器的EMI
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作者：
時(shí)間：2008-01-23
來(lái)源：電子元器件網(wǎng)
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當今幾乎所有的電子系統中都用到了開(kāi)關(guān)模式DC-DC轉換器，該器件功率轉換效率較高，得到了普遍應用。然而，它也有噪聲大和不穩定的缺點(diǎn)，很難通過(guò)EMI認證。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(zhuān)業(yè)設計可能會(huì )因為電路板的寄生效應而遭到淘汰。良好的布板不但有助于通過(guò)EMI認證，還可以幫助實(shí)現正確的功能。為理解這一問(wèn)題，需要回顧EMI規范，確定一個(gè)典型DC-DC轉換器的潛在EMI來(lái)源。我們選擇降壓轉換器作為一個(gè)例子(可直接應用于升壓轉換器，也可以方便的應用于其他結構)。本文給出DC-DC轉換器的基本布板指南，以及一個(gè)實(shí)際例子。
EMI規范描述了頻域通過(guò)測試/失效模板，分為兩個(gè)頻率范圍。在150kHz至30MHz低頻段，測量線(xiàn)路的交流傳導電流。在30MHz至1GHz高頻段，測量輻射電磁場(chǎng)。電路節點(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)生的諧波能夠達到很高頻率。
為了確定EMI輻射源，我們先研究圖1a中降壓轉換器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(xiàn)性模式。晶體管的電流和電壓均類(lèi)似于方波，但是相位不一致，以降低功耗。
圖1a. 在該降壓轉換器原理圖中，互補驅動(dòng)信號控制開(kāi)關(guān)晶體管Q1和Q2，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，以達到較高的效率。
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。{{分頁(yè)}}
圖1b. 降壓轉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)節點(diǎn)電壓VLX接近方波，是可能的EMI輻射源。
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。
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?span id="jhcnilz" class=GramE>頂層/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。{{分頁(yè)}}
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?/SPAN>IC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):
1. 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。
2. 低電平信號元件布局布線(xiàn)?？刂破?/SPAN>IC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。
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