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低EMI DC/DC变换器PCB设计

面包板社区 · 公众号 · · 2024-05-11 10:47

正文

每个开关电源都是一个宽带噪声源。因此，将汽车电路板网络中的DC/DC 变换器集成到汽车控制单元中，同时仍然满足汽车原始设备制造商（OEM）的 EMC 要求，是一项很艰巨的任务。

通常，来自 DC/DC 变换器和其他高速电路的噪声会通过所连接的电缆辐射，这些电缆为噪声提供了有效的天线路径。为了阻断这种潜在的辐射路径，需要在每个电缆连接点都设置滤波器电路。但是，只有当噪声源的 H场或 E 场没有耦合到滤波器组件或电缆中时，滤波才会有效。

在近场环境中，场强的下降与距离平方的倒数 (1/d2) 成正比。因此，噪声源、滤波器组件和连接器之间需要保持一定的最小距离。

但实际上，PCB 尺寸和电缆连接器的位置通常取决于机械空间的大小。而且，在 PCB 的某些区域，元件的最大高度可能非常有限，或者也有可能无法进行双面组装。这些硬件条件的限制要求设计人员在决定元件位置和 PCB 布局时要非常谨慎，尤其是在汽车制造等高度监管的行业中。

布局规划

为避免DC/DC 变换器的电场和磁场被直接耦合到连接器和电缆中，电路必须尽可能远离 PCB 连接点（见图 1）。

图1: 噪声源应尽量远离连接器和电缆

只有距离或额外的屏蔽才能将 EMC 滤波器、连接器和电缆的场强降低到必要的水平，而屏蔽可以代替距离。

最好的方法是采用至少4层、双面组装的 PCB，并将DC/DC 电路和滤波器组件放在电路板相对的两侧。而且，至少有一个内部板层为完整的接地层，以最大可能地减少从噪声源到滤波器电路的交叉耦合。

如果因为系统限制，DC/DC 电路必须靠近连接器，则必须在设计初期即考虑有效的屏蔽。散热器有时也可以用来屏蔽。理想情况下，电感、内置功率 MOSFET 的 DC/DC IC 及其去耦电容都应被屏蔽。

PCB布局指南

在降压变换器中，主要的场源包括：

由两个电源开关和 CIN形成的高 di/dt 环路（热环路），它辐射出宽带磁场
功率 FET 和电感之间的开关节点，具有强电场辐射
辐射电场和磁场的电感

交流磁场可以被能够感应涡流的固体金属区域屏蔽。而铜因其高导电性即为非常有效的屏蔽材质。在PCB 上，返回固定电位的电位差路径中的任何导体都可以有效屏蔽电场辐射。

任何高 di/dt 环路都会辐射出与环路面积和电流幅度成比例的磁场。将输入电容放置在靠近两个电源开关的位置，并采用低阻抗连接，可以最大限度地减小天线环路面积。

为进一步减少该环路产生的磁场，可以在电源开关处对称放置两组电容。理想情况下，这样可以将两个环路中的峰值电流降低一半，从而将 H 场降低 6dB。如果两个环路的方向相反，更将进一步降低辐射的H磁场。(1)

在DC/DC电路的下一层、间距小于100µm的位置应布置完整的GND区域。在这个铺铜区域中，流经电路元件和 PCB 迹线的高 di/dt 电流会产生涡流。涡流与元件侧的原始电流方向相反，两个磁场将相互抵消。如果涡流能够在最短距离内对元件侧的高 di/dt 环路电流进行镜像，则效果最佳。

在超导、零距离和两个环路形状完全匹配的理想情况下，PCB 元件侧的 H 场辐射将被涡流的 H 场完全抵消。

由于DC/DC 电路下方的 GND 铺铜区域有阻抗，因此高 di/dt 涡流会产生电势差，并让该区域产生噪声。这个高噪声的 GND 区域必须与系统 GND 区域分开，尤其要与滤波器和连接器的任何 GND 参考区域隔离。在多层 PCB 中，可以分别布局各层，并通过层间的通孔阻抗来实现隔离。

多层 PCB 的三维视图可以说明这一概念（见图 2）。

图2: 三维PCB视图 - 布局也是电路的一部分

注：
1)参见 Henry W. Ott，电磁兼容工程，John Wiley，2009 年。

在顶层，输入电容(CIN)和两个功率 FET 连接至 VIN区域和 PGND 区域（如上图中的红色部分），它们通过通孔连接到内层。在 VIN路径上，通孔之后必须连接电感元件（例如 1µH 至 2µH的线圈）。这样，来自开关转换的高 di/dt 电流将被限制在 CIN中，不会在PCB上流动。

PGND 区域不应直接连接到元件侧的任何其他 GND，只通过通孔连接到 DC/DC 模块下的 PGND 区域（如上图中的蓝色部分）。其目的是将高频电流限制在元件侧，将噪声与“外界”隔离开来。PCB中至少要设计一层完整的GND，以提供低阻抗的系统参考。请记住，布局也是电路的一部分。

电感下方要铺铜吗？

有些 PCB 布局工具预设不允许在电感芯下铺铜。对于这个问题，各方观点不一，有人认为根本无需铺铜，有人则认为应该直接在PCB 元件侧线圈正下方铺铜。

图3: 线圈下方无铜层的4层PCB

在图 3 显示的 4 层 PCB 中，线圈下方的任何层中都没有铺铜，其产生的磁场如图中所示。线圈产生的强磁力线直达 PCB 底部并紧紧围绕 PCB，有效耦合到任何连接的电缆中。PCB 上的滤波器组件则被空气旁路。在这种设计下，几乎不可能达到汽车 OEM的EMC标准。

图 4 显示的布局中，铜层直接铺在元件侧的线圈正下方。

图4: 铜层位于PCB上线圈的正下方

这种设计为涡流提供了一个区域来抵消 PCB 外部已有的磁场。内层 2 和底层完全无噪声。EMC 滤波器组件可以有效放置在底部。涡流磁场会稍稍降低线圈的有效电感（通常小于 5%）。涡流还会在 GND铜层中产生一些损耗。铜层直接位于电感磁芯下方还有一个小缺点就是增大了绕组到 GND 的寄生电容。但在大多数设计中，该电容非常低，因此不会产生大的影响。

PCB布局示例：MPQ443x系列

MPQ443x 系列产品均为40V 同步降压变换器，具有低工作静态电流和 1A 至 3.5A的输出电流，非常适合汽车和工业应用。

MPQ4430 IC (U1) PCB 的顶部具有对称的 CIN 组 (C1A-C1D)。这些电容的 GND 直接连接到 IC PGND 引脚，即底部 FET 的源极。这一片本地 GND 区域噪声较大。在元件侧，这片 GND 区域与其他任何GND 区域都没有直接的连接，唯一的连接处就是通过通孔连接到DC/DC 电路下方层中的GND 区域。在这种配置中，来自功率级的高 di/dt 电流被限制在元件侧。最高电流密度位于 VIN 和 PGND 之间走线的内边缘，如示例中的绿色椭圆所示（见图 5）。

图5: MPQ4430 PCB顶部布局