開關(guān)電源PCB電磁兼容性設(shè)計

1、開關(guān)電源的主要干擾源分析

前面我們分析知道開關(guān)電源有兩種強(qiáng)的干擾源，一種是差模干擾源，也就開關(guān)電流形成的高頻的di/dt回路；另一種是共模干擾源，共模干擾源有兩種，一種是開關(guān)通斷形成的大的dV/dt的動點，該動點經(jīng)分布電容產(chǎn)生共模干擾，另一種是地線上的噪聲電壓，噪聲電壓驅(qū)動電纜產(chǎn)生共模電流對外產(chǎn)生輻射。

圖 地噪聲驅(qū)動電纜對外產(chǎn)生輻射

在進(jìn)行PCB設(shè)計時候，我們要針對這兩種干擾源進(jìn)行有效的設(shè)計，從源頭上對干擾源進(jìn)行抑制。

針對高頻的di/dt回路我們要想辦法減小其回路面積，從而減小對外的輻射；針對大的dV/dt的動點，我們在PCB設(shè)計時候要刻意減小這部分的面積，而且盡可能的讓其位于PCB板的靠中間區(qū)域，從而減小其與其它區(qū)域的分布電容，減少共模耦合；有高頻電流流過的PCB地線上有高頻電壓，針對這部分地線，我們有意的增加地線的面積，減小其阻抗，從而減小地線上的噪聲電壓。

2、開關(guān)電源原理圖分析

這里我們引入一個最簡單的升壓電路 ， 因為電路足夠簡單所以非常有助于我們?nèi)腴TPCB的電磁兼容設(shè)計，如果一開始我們就研究很復(fù)雜的電路，反而會讓我們知難而退 。

圖 電路原理圖

該電路是一個簡單的升壓電路，外部電池供1.5V經(jīng)過升壓電路后給LED燈負(fù)載供4.5V電。

（1）首先我們來找主要的di/dt回路，就是電流有快速變化的回路。

圖 電路的主要電流波形和高頻電流回路

由于電感的電流是不能突變的，所以流過電感的電流是緩慢變化的，而開關(guān)管Q1在打開時候電感電流流過Q1，這個時候D1截止沒有電流，當(dāng)Q1關(guān)閉時候流過Q1的電流迅速減小為0，然后電感電流流向D1，D1上的電流迅速增加然后緩慢減小。

從上圖可以看出，雖然L1電感上的電流沒有突變，但是由于開關(guān)管Q1的開關(guān)，導(dǎo)致流過Q1和D1的電流產(chǎn)生了快速突變的部分，也就是上升沿和下降沿很短的電流，對這樣的電流波形進(jìn)行傅里葉變換，顯然有高頻電流成份。其實很簡單，就是流過電感的電流前一半流向了Q1，后一半流向了D1，一個沒有快速突變的電流，分成了兩個含有快速突變的電流。

流過D1的電流給C2充電，從而使電容C2電壓穩(wěn)定，從而給LED燈提供穩(wěn)定的電壓。

經(jīng)過以上分析可知，有高頻電流的回路主要是上面的紅色回路。所以在進(jìn)行PCB布局時候這部分面積要盡可能的小。

（2）我們來找電壓快速變化，也就是有大的dV/dt的動點

圖 紅色部分分為大的dV/dt的動點

我們很容易分析出，電壓快速變的區(qū)域，也就是大的dV/dt的動點區(qū)域就是上圖標(biāo)紅色的部分，因為當(dāng)Q1導(dǎo)通時候，紅色區(qū)域的電壓為0，當(dāng)Q1關(guān)閉時候，紅色區(qū)域電壓等于C2兩端的電壓+D1的導(dǎo)通壓降，其它部分電容C1和C2連接區(qū)域電壓是不會突變的，因此上圖紅色區(qū)域是主要的dV/dt共模干擾源。

（3）找地線噪聲比較大的區(qū)域

圖 地噪聲較大的區(qū)域

經(jīng)過上面分析我們知道了上圖高頻電流回路，這部分回路的地線上由于流過高頻電流所以有大的地噪聲，地上的噪聲電壓驅(qū)動電源地線對外產(chǎn)生輻射，所以要想辦法減小該部分的地線阻抗。

3、開關(guān)電源PCB設(shè)計

針對上面的原理圖分析，我們接下來進(jìn)行PCB的設(shè)計分析。我們從一個不好的PCB設(shè)計開始，逐步用上面的知識將其優(yōu)化成為具有的好電磁兼容性設(shè)計的PCB 。

圖 原始PCB

我們先來找上面原理圖中的高頻電流回路：

圖 高頻電流回路

我們發(fā)現(xiàn)這個高頻電流回路面積太大，很容易對外產(chǎn)生輻射；另外高頻電流回路的地線過長，地線上共模噪聲電壓會較大，容易驅(qū)動電源線對外輻射。

圖 地線噪聲電流驅(qū)動外部電源電纜輻射

接下來我們找大的dV/dt的動點區(qū)區(qū)域：

圖 具有大的dV/dt的電壓快速變化的區(qū)域

我們發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域較大，要想辦法重新布局減小其面積另外盡量遠(yuǎn)離板子邊沿區(qū)域，以減小其對外的容性共模耦合。

接下來我們對整個板子進(jìn)行改板重新布局設(shè)計，主要改進(jìn)圍繞這三個方面：（1）減小高頻回路面積；（2）減小高頻電流地的地線阻抗；（3）減小電壓快速變化的動點區(qū)域。

初步改板如下：

圖 高頻電流回路

我們可以看出高頻電流回路面積減小，高頻電流流過的地線長度變短。

圖 具有大的dV/dt的電壓快速變化的區(qū)域

具有大的dV/dt的電壓快速變化的區(qū)域也變小了。

為了進(jìn)一步減小地線的阻抗，同時提升整個板子的EMC性能，我們在板子空白區(qū)全部鋪上地

圖 在板子空白區(qū)域鋪上地

到此為止，我們板子EMC性能得到了很大的改善，如果能夠增加預(yù)算，將單層板變成雙層板，我們可以再加一個地平面，將頂層和底層的地盡可能多的連接到一起，那么高頻電流回路會進(jìn)一步的減小，地阻抗也會進(jìn)一步減小，整個板子的EMC性能會進(jìn)一步改善。

圖 雙層板設(shè)計打地過孔

4 總結(jié)

** 我們通過一個簡單的電路將我們的電磁兼容原理知識在PCB設(shè)計上得到了很好的實踐，通過這樣的積累，我們從簡單的電路和PCB開始，當(dāng)我們具備更強(qiáng)的知識儲備后，我們可以過渡到更復(fù)雜的PCB電磁兼容設(shè)計** 。