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【实战】消除Buck转换器中的EMI(3) [复制链接]

7. BUCK转换器PCB布局设计要点
做好Buck转换器PCB布局设计的关键是在一开始就要计划好关键元件的放置位置。
  • 在噪声敏感的应用中,最好是选择小型封装的、电感很低的晶圆倒装芯片。

  • 44.png 确定开关切换回路的VIN和GND节点位置,将不同尺寸的输入电容尽可能靠近这些节点,最小的电容靠节点的位置要最近。由于这个切换回路承载了很高的电流变化率dI/dt,因而需要尽可能地小。

  • 45.png 将输出电容地放在不与输入电容切换路径发生重叠的地方,避免高频噪声串入输出电压中。
  • 46.png
    开关切换节点和BOOT引脚含有很高的电压变化率dV/dt,可导致严重的电场辐射,因而其铜箔面积应当保持最小化,还要避开其它敏感电路。
  • 转换器的小信号部分应当与大功率的开关切换部分分开,其地线应当位于干净无噪声的地方,千万不要将输入端的电流信号和输出端的纹波电流引入其中。
  • 47.png 不要在关键回路上使用热阻焊盘,它们会引入多余的电感特性。
  • 当使用地线层的时候,要尽力保持输入切换回路下面的地层的完整性。任何对这一区域地线层的切割都会降低地线层的有效性,即使是通过地线层的信号导通孔也会增加其阻抗。
  • 导通孔可以被用于连接退藕电容和IC的地到地线层上,这可使回路最短化。但需要牢记的是导通孔的电感量大约在0.1~0.5nH之间,这会根据导通孔厚度和长度的不同而不同,它们可增加总的回路电感量。对于低阻抗的连接来说,使用多个导通孔是应该的。

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在上面的例子中,通到地线层的附加导通孔对缩减CIN回路的长度没有帮助。但在另一个例子中,由于顶层的路径很长,通过导通孔来缩小回路面积就十分有效。
  • 需要注意的是将地线层作为电流回流的路径会将大量噪声引入地线层,为此可将局部地线层独立出来,再通过一个噪声很低的点接入主地当中。
  • 当地线层很靠近辐射回路的时候,其对回路的屏蔽效果会得到有效的加强。因此,在设计局多层PCB的时候,可将完整的地线层放在第二层,使其直接位于承载了大电流的顶层的下面。
  • 非屏蔽电感会生成大量的漏磁,它们会进入其他回路和滤波元件之中。在噪声敏感的应用中应当使用半屏蔽或全屏蔽的电感,还要让敏感电路和回路远离电感。


8. 你可以自制的简易EMI问题探测工具
测量电磁兼容性问题通常意味着你得拿着自己的产品原型跑到电磁兼容实验室去进行测试,那里通常有3m的无回声房间,还备有特别的使用天线和接收机的测量设备,测量的数据可显示出整个系统的最后结果,但在这样的地方并不总是能够容易地找到造成特定辐射问题的根本原因。
其实我们是有可能在实验室环境下对产品原型进行一些基本的EMI测试的,还可对系统的各个模块分别进行。这样的测试通常属于近场环境(测量距离 < 0.16λ),因而在测试电流回路的辐射状况时需要使用小型的环形天线来对高频磁场进行测量。你可以使用一段50Ω的同轴电缆自己制作小型的拥有电屏蔽的环形天线,这看起来并不是一件很难的事情,可参考图43的示意进行。
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这种环形天线可以被连接到频谱分析仪上,当你使它在PCB上方移动时,你就可以看到哪里会有比较强的高频磁场。你也可以把它连接到一台示波器上(使用50Ω的端子),示波器上就可以显示出相应区域的切换噪声水平。保持天线环和板子之间的相对位置和距离不变,对电路、PCB上的回路做出某些改变,你就可以知道噪声水平在增加或是减少。
由于电源线的辐射对EMI水平的影响很大,你也可以测量这些线上的高频电流。不是所有的电流探头都有足够的带宽可以凸显EMI问题,这可通过将几匝线圈穿过一个EMI铁芯以形成一个高频电流变压器的方法来解决。其做法与环型天线的做法差不多,但需要将环形线圈3次穿过铁芯。参见图44。
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现在将电缆穿过铁芯就可以对其中的高频电流进行测量了,电流变压器的输出可以接入频谱仪或是示波器(使用50Ω端口)。
为了将测试工具和测试对象隔离开,最好是在电缆上加一个共模线圈,这可通过将引入分析装置的电缆多次穿过一个扣合式的EMI铁芯来实现。
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将电源线的正、负两条线以同一个方向穿过铁芯可测量其中的共模电流,颠倒其中一条线的方向则可测量差模电流。参见图45。
另外一种手持式的工具是电流探测器,这是一种使用开放式铁芯的小型化电流变压器,参见图46。这种工具可用于测量铜箔路径或元件引脚上的高频电流。
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这个工具在制作上会有一定的难度,你可以用一个有两个孔的铁氧体磁珠经过打磨以后得到开放式的铁芯,再加上4~5匝线圈,然后再将其连接到同轴电缆即可。最好是将此铁芯放在带有开口的屏蔽罩里。当使用此工具的时候,你应当知道它也会捡拾到一些电场信号。为了分辨你测得的结果是来自于磁场还是电场,你可以在路径的上方将工具转动90°。如果测量的结果来自于磁场,其结果就会变为0。如果信号来自于电场,其结果就不会有什么改变。
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电流探测器可让你知道变化中的高频电流在板上和元件上是如何流动的,甚至可以显示出电流在铜箔上是如何流动的:你将发现高频电流在铜箔上总是从最短的路径上经过。实际上,即使是地线层上的涡流也可以被测量出来。
本文中的所有测试都是使用这里描述的工具进行的。

9. 总结
解决EMI问题可能是一件很复杂的事情,尤其是在面对完整的系统,同时又不知道辐射源所在的时候。有了关于高频信号和开关切换式转换器中的电流回路的基础知识,再加上对元器件和PCB布局在高频情况下的表现的了解,结合某些简单自制工具的使用,要想找出辐射源和降低辐射的低成本解决方案,从而轻松的解决EMI问题是有可能的。
Buck转换器中的主要辐射源是转换器的输入切换回路,它是我们考虑问题的重点。采用不同封装的开关切换式转换器在获得最佳元件布局方案以得到EMI辐射最低的解决方案方面有可能扮演非常重要的角色。
降低转换器的开关切换速度可对降低EMI有帮助,但这通常不是最优的选择。通过地线层进行屏蔽是一种很有效的做法,它们应该尽可能地长大、完整,还要尽可能靠近有辐射的环路。对输入和输出线进行滤波可以很有效地降低传导辐射水平。


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简直牛啊

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满满的干货呀,收藏 了,谢谢分享!

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一粒金砂(中级)

收藏 了,谢谢分享!

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