一文講透如何在擁擠的電路板上實(shí)現(xiàn)低EMI的高效電源設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-10-13 20:23:46

關(guān)鍵字： EMI 電路板

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[導(dǎo)讀]有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設(shè)計(jì)周期以及嚴(yán)格的電磁干擾（EMI）規(guī)范（例如CISPR 32和CISPR 25）這些限制因素，都導(dǎo)致獲得具有高效率和良好熱性能電源的難度很大。

有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設(shè)計(jì)周期以及嚴(yán)格的電磁干擾(EMI)規(guī)范(例如CISPR 32和CISPR 25)這些限制因素，都導(dǎo)致獲得具有高效率和良好熱性能電源的難度很大。在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中，電源設(shè)計(jì)通常基本處于設(shè)計(jì)過(guò)程的最后階段，設(shè)計(jì)人員需要努力將復(fù)雜的電源擠進(jìn)更緊湊的空間，這使問(wèn)題變得更加復(fù)雜，非常令人沮喪。為了按時(shí)完成設(shè)計(jì)，只能在性能方面做些讓步，把問(wèn)題丟給測(cè)試和驗(yàn)證環(huán)節(jié)去處理。簡(jiǎn)單、高性能和解決方案尺寸三個(gè)考慮因素通常相互沖突：只能優(yōu)先考慮一兩個(gè)，而放棄第三個(gè)，尤其當(dāng)設(shè)計(jì)期限臨近時(shí)。犧牲一些性能變得司空見慣;其實(shí)不應(yīng)該是這樣的。

本文首先概述了在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中電源帶來(lái)的嚴(yán)重問(wèn)題：即EMI，通常簡(jiǎn)稱為噪聲。電源會(huì)產(chǎn)生EMI，必須加以解決，那么問(wèn)題的根源是什么?通常有何緩解措施?本文介紹減少EMI的策略，提出了一種解決方案，能夠減少EMI、保持效率，并將電源放入有限的解決方案空間中。

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，您可能聽說(shuō)過(guò)電磁干擾(EMI)

越來(lái)越多的應(yīng)用必須通過(guò)EMI標(biāo)準(zhǔn)，制造商才獲得商業(yè)轉(zhuǎn)售批準(zhǔn)。開關(guān)電源意味著器件內(nèi)部有電子開關(guān)，EMI可通過(guò)它產(chǎn)生輻射。

本文將介紹開關(guān)電源中EMI的來(lái)源以及降低EMI的方法或技術(shù)。本文還將向您展示電源模塊(控制器、高側(cè)和低側(cè)FET及電感器封裝為一體)如何幫助降低EMI。

開關(guān)電源中EMI的來(lái)源

首先，必須尊重物理定律。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電可產(chǎn)生電磁場(chǎng)。每個(gè)電導(dǎo)體中均會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，其自身帶有一些可以形成振蕩電路的電容和電感。該振蕩電路以特定頻率(f=1/(2*π*sqrt(LC)))將電磁能輻射到空間中。該電路充當(dāng)電磁能的發(fā)射器，但也可以接收電磁能并充當(dāng)接收器。天線設(shè)計(jì)是為了最大化傳輸或接收能量。

但并非每個(gè)應(yīng)用都應(yīng)該像天線一樣，而且這種設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，開關(guān)降壓電源設(shè)計(jì)用于將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，但它們同時(shí)也充當(dāng)了(有害的)電磁波發(fā)射器，可能干擾其他應(yīng)用，例如干擾AM頻段。這種效應(yīng)稱為EMI。

為了確保功能正常運(yùn)行，最大限度地減少EMI源非常重要。國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)定義了各種標(biāo)準(zhǔn)，如作為汽車電氣應(yīng)用基準(zhǔn)的CISPR 25，以及針對(duì)信息技術(shù)設(shè)備的CISPR 22。

如何降低電源設(shè)計(jì)的EMI輻射呢?一種方法是用金屬完全屏蔽開關(guān)電源。但在大多數(shù)應(yīng)用中，由于成本和空間的原因，這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。一種更好的方法是減少和優(yōu)化EMI源。許多文獻(xiàn)已經(jīng)詳細(xì)討論了這一專題;本文推薦了兩種方式。

讓我們回顧一下開關(guān)電源中EMI的主要來(lái)源，以及為什么電源模塊可以幫助您輕松降低EMI。

減小布局中的電流環(huán)路

顧名思義，開關(guān)電源是用來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。它們的作用是以幾百千赫到幾兆赫的頻率打開和關(guān)閉輸入電壓。這就導(dǎo)致了快速電流轉(zhuǎn)換(dI/dt)和快速電壓轉(zhuǎn)換(dV/dt)。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電流和電壓產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從其原點(diǎn)徑向擴(kuò)散，它們的強(qiáng)度隨距離而降低。

一文講透如何在擁擠的電路板上實(shí)現(xiàn)低EMI的高效電源設(shè)計(jì)

圖1.來(lái)自開關(guān)電源的EMI會(huì)對(duì)負(fù)載和主電源產(chǎn)生影響。

圖2.在輸入端、開關(guān)和輸入電容器之間形成臨界電流環(huán)路。

圖3.減小環(huán)路區(qū)域有助于降低EMI

磁場(chǎng)和電場(chǎng)會(huì)干擾應(yīng)用的導(dǎo)電部件(例如，印刷電路板[PCB]上的銅跡線，就像天線一樣)并在線路上產(chǎn)生額外的噪聲，這樣又會(huì)導(dǎo)致發(fā)生EMI(見圖1)。實(shí)際上幾瓦功率的轉(zhuǎn)換就會(huì)擴(kuò)大EMI的輻射范圍。

圖4.引腳排列有助于減小環(huán)路面積。左圖：優(yōu)化的引腳排列;右圖：非優(yōu)化布局，幾乎無(wú)法形成良好的布局。

輻射的電磁能與其流過(guò)的電流量(I)和環(huán)路面積(A)成正比。減小交流電流和電壓環(huán)路的面積有助于降低EMI(見圖2和圖3)。

著眼于引腳排列(見圖4)可以幫助您通過(guò)減小高dI/dt環(huán)路面積來(lái)更好地設(shè)計(jì)良好布局。例如，開關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠引發(fā)高電流變化(dI)和高電壓轉(zhuǎn)換(dV)。良好的引腳排列可以分離噪聲敏感引腳和噪聲引腳。開關(guān)節(jié)點(diǎn)和啟動(dòng)引腳應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲敏感型反饋引腳。此外，輸入引腳和接地引腳應(yīng)相鄰。這樣便簡(jiǎn)化了PCB上的布線和輸入電容器的放置。

圖5顯示了LMR23630 SIMPLE SWITCHER®轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)評(píng)估模塊(EVM)。兩個(gè)輸入電容器距離輸入引腳約2.5厘米。之所以如此排列，是為了模擬不良布局，因?yàn)殡娏鳝h(huán)路區(qū)域(圖5中的紅色矩形)比數(shù)據(jù)表所要求和建議的要大。圖5中的橢圓形紅色形狀表示轉(zhuǎn)換器和電感器之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。IC和電感器之間的環(huán)路面積越小越好。

圖5.輸入引腳和輸入電容器之間環(huán)路面積(紅色矩形)較大的錯(cuò)誤布局示例。在IC和電感器之間形成第二個(gè)環(huán)路區(qū)域(橢圓形紅色形狀)。

圖6中的曲線圖顯示了LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射，其中只有VIN、GND和輸入電容器之間形成的環(huán)路面積不同。良好的布局中電容器盡可能靠近輸入引腳和接地引腳(環(huán)路面積盡可能地小)。而不良的布局中輸入電容器距離輸入引腳2.5厘米，從而形成一個(gè)較大的環(huán)路面積。

圖6.LMR23630轉(zhuǎn)換器輸入電容布局對(duì)EMI輻射的影響。

圖6中曲線圖的紅線表示不良布局的EMI輻射。藍(lán)線表示采用相同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(zhuǎn)換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。

圖7.不同類型電源模塊的內(nèi)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(zhuǎn)換器或降壓電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如何放置輸入電容器應(yīng)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(nèi)部與集成電路連接(見圖7)。這種放置方式會(huì)在封裝內(nèi)部形成一個(gè)較小的環(huán)路區(qū)域。因此，不必將噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)布線在印刷電路板上。

電源模塊中屏蔽了其中的大多數(shù)電感器，以防止來(lái)自線圈的電磁輻射。在非?？拷姼衅鞯牡胤綍?huì)發(fā)生高電流電壓轉(zhuǎn)換，并且開關(guān)節(jié)點(diǎn)的一部分電磁場(chǎng)受到屏蔽，電感器位于引線框架的頂部(見圖7)。

快速的電壓和電流瞬變

快速瞬變會(huì)導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)生振鈴，從而產(chǎn)生EMI。在某些情況下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)的影響。EMI輻射較低，但由于開關(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(duì)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(yuǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dá)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(dǎo)致散熱問(wèn)題。

在開關(guān)節(jié)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(fù)電流，從而降低同步轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電流振鈴dI，但這樣會(huì)提高物料清單(BOM)成本?；蛘撸梢蕴砑右粋€(gè)緩沖網(wǎng)絡(luò)，其中包含一個(gè)位于開關(guān)節(jié)點(diǎn)與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開關(guān)節(jié)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(jì)算。這種方法同樣會(huì)降低開關(guān)電源的效率。

電流路徑中的寄生電感和電容

對(duì)于同步降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)IC架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的噪聲，表現(xiàn)為EMI輻射。但很難從數(shù)據(jù)表中找到這一項(xiàng)。大多數(shù)數(shù)據(jù)表都沒有提供EMI圖，因?yàn)镻CB布局、BOM組件和其他因素會(huì)對(duì)EMI特性產(chǎn)生影響。幸運(yùn)的話，EVM用戶指南會(huì)提供此特定設(shè)計(jì)的EMI特性圖。但如果您的設(shè)計(jì)與EVM的布局和BOM不匹配，您所設(shè)計(jì)的應(yīng)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(xiàn)了快速簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟恍枰紤]一些經(jīng)驗(yàn)法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線或切口數(shù)量;必要時(shí)，將其設(shè)計(jì)為與電流方向保持平行(圖9)。

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

保護(hù)噪聲敏感節(jié)點(diǎn)免受噪聲節(jié)點(diǎn)的影響

盡可能縮短噪聲敏感節(jié)點(diǎn)，并遠(yuǎn)離噪聲節(jié)點(diǎn)。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡(luò)到反饋(FB)引腳的長(zhǎng)跡線可以充當(dāng)天線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(wěn)定。在設(shè)計(jì)開關(guān)降壓調(diào)節(jié)器的布局時(shí)，將這一切都考慮在內(nèi)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

表1.降壓轉(zhuǎn)換器中噪聲敏感節(jié)點(diǎn)和噪聲節(jié)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(shì)在于將噪聲敏感節(jié)點(diǎn)和噪聲節(jié)點(diǎn)保持在最低限度，從而最大限度地減小錯(cuò)誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線盡可能短。

結(jié)論

在開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器中有許多用來(lái)調(diào)節(jié)EMI的旋鈕，但用來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會(huì)花費(fèi)大量寶貴的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單而又快捷。使用降壓模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)最關(guān)鍵的一點(diǎn)是一些外部元件的放置方式，這有助于顯著提高EMI特性。

轉(zhuǎn)換器和電源模塊的EMI比較

前文說(shuō)明了開關(guān)電源中EMI的來(lái)源以及如何降低EMI?，F(xiàn)在，本文將通過(guò)比較轉(zhuǎn)換器和使用相同集成電路(IC)的電源模塊之間的測(cè)量結(jié)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，轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)MR23630，電源模塊為L(zhǎng)MZM33603，采用LMR23630 IC。通過(guò)對(duì)兩個(gè)器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數(shù)，因此結(jié)果僅取決于所選部件(轉(zhuǎn)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(yuǎn)離輸入引腳的位置，就生成了不良布局。

LMR23630轉(zhuǎn)換器的性能

圖11.具有不同輸入電容布局的LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射。

圖11顯示了不同設(shè)計(jì)布局的四種不同EMI頻譜。設(shè)計(jì)布局從優(yōu)至劣排列(類似于圖5，只是把各步驟分開)。第一次測(cè)量(良好布局/藍(lán)線)時(shí)，未對(duì)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(cè)量(小電容器靠近/紅線)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(yuǎn)離/綠線)和第四(無(wú)小電容器/紫線)次測(cè)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(yuǎn)離輸入引腳放置或?qū)⑵渫耆瞥龝?huì)違背CISPR 22 A3M級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。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(lán)線表示未更改EVM的EMI輻射。紅線和綠線表示不良布局，其中一條線有兩個(gè)4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方(紅線)。綠線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(qū)域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。