PCB設(shè)計(jì)3個(gè)技巧，輕松降低降壓電路中的EMI

電磁干擾（EMI）在汽車電源產(chǎn)品中一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（MHEV）解決方案的興起，系統(tǒng)中的許多電子電路將電池電壓從12V轉(zhuǎn)換為48V，從而使EMI更具挑戰(zhàn)性。

大多數(shù)設(shè)計(jì)汽車電路的工程師都知道如何通過濾波器設(shè)計(jì)，布局指南和眾多管理功能（例如擴(kuò)頻和倒裝芯片封裝）來降低EMI。但是，鮮為人知的信息是一些技巧，這些技巧可以幫助大幅降低降壓轉(zhuǎn)換器的EMI，而無需重新設(shè)計(jì)電路板。這些技巧可能是10分鐘EMI測試通過或電路板重新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

通過參考以下三個(gè)簡單的EMI技巧，避免不必要的印刷電路板（PCB）制造風(fēng)險(xiǎn)。

圖1：降壓電路的電路原理圖（左）和波形（右）

技巧1：旋轉(zhuǎn)功率電感器

在降壓轉(zhuǎn)換器中，使用帶有電感器和電容器的濾波器將開關(guān)波形（開關(guān)節(jié)點(diǎn)：V SW）轉(zhuǎn)換為直流波形（輸出電壓：V OUT）。圖1是降壓電路的示意電路圖。

如圖1所示，電感器端子之一連接到V SW，這會(huì)引起EMI噪聲。該節(jié)點(diǎn)上的電壓是一個(gè)具有快速邊沿的方波，從0V擺動(dòng)到電池電壓。在某些MHEV設(shè)計(jì)中，最高可達(dá)到48V。另一個(gè)端子連接到V OUT，并且相對(duì)于EMI在電氣上安靜，接近DC。正確的PCB布局技術(shù)要求將開關(guān)節(jié)點(diǎn)的表面積最小化，以減少與接地層的電容耦合。否則，會(huì)產(chǎn)生大量的共模噪聲，從而導(dǎo)致不良的EMI性能。相同的電容耦合緩解可以應(yīng)用于電感器。EMI性能將根據(jù)電感器的結(jié)構(gòu)和方向而變化。

如圖2所示，功率電感器基本上只是一根纏繞在芯材上的導(dǎo)線。您可以從上到下纏繞一層，也可以將繞組纏繞成多層。但是，此分析中重要的是，電感器的兩個(gè)端子永遠(yuǎn)不會(huì)完全對(duì)稱。只需將電感器旋轉(zhuǎn)180度，即可交換連接到高噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電感器端子。這將產(chǎn)生不同的EMI結(jié)果。

圖2：電感器結(jié)構(gòu)示意圖。單層（左）和多層（右）

通過將一個(gè)有噪聲的開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到底部繞組開始的端子（圖2，L1的端子B），可以減少單層電感器中的電容耦合。繞組的底部實(shí)際上更靠近電路板，因此，與連接到繞組頂部的端子相比，電路板上的GND平面提供的屏蔽更多。為了減少多層電感器的電容耦合，請(qǐng)將噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)從內(nèi)層連接到繞組開始的端子（圖2，L2的端子D）。那樣，線圈的高噪聲部分被繞組外部的線圈的低噪聲V OUT部分有效地屏蔽。

在原理圖（圖1中的L）上顯示為點(diǎn)的端子通常表示線圈內(nèi)部繞組的起始位置。這是應(yīng)連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)以降低EMI的端子。并非所有廠商，也不是所有電感器都使用這種針對(duì)性的方法。但是，如果僅將電感器旋轉(zhuǎn)180度，就可以看到結(jié)果是否有所改善。

驗(yàn)證結(jié)果

使用同步整流器LMR33630-Q1（Texas Instruments）在13.5V IN，5V OUT，3A OUT，400kHz兩層板上旋轉(zhuǎn)電感器，可使FM頻段提高8dBμV。做完了 平均檢測結(jié)果從108 MHz時(shí)的15dBμV（比國際無線電干擾委員會(huì)[CISPR]的25％5級(jí)限值低3dBμV）提高到7dBμV（比CISPR 25 5級(jí)限值低11dBμV）。

技巧2：卸下EMI濾波器電源端子上的電容器

EMI濾波器通常由電感器和鐵氧體磁珠組成，有時(shí)使用共模扼流圈，如圖3所示。在這三個(gè)部分之前和之后以及每個(gè)部分之間放置電容器。通常，在濾波器的第一部分中放置一個(gè)小型高頻陶瓷電容器，并將其連接到距離降壓電路最遠(yuǎn)的電源端子（圖3，CHF1）。這個(gè)想法很簡單，增加一個(gè)電容器可以減少電源端子上產(chǎn)生的紋波。這通常會(huì)降低差模EMI，但可能無助于改善EMI性能。

如圖3所示，CHF1（最左邊的電容器）由于連接電池和電容器（電池到J1）的線束的物理特性所引起的寄生電感而與電池的+ 12V和GND（IN +和IN-）分開。提供低電阻路徑。具有電感和電容的低電阻路徑會(huì)以與電感和電容乘積的平方根成反比的角頻率諧振。0.1μF電容器在108MHz（FM頻帶的上限，在EMI測試期間稱為難以通過的頻率）諧振時(shí)所需的電感僅為0.022nH。

圖3：電路圖示例，顯示了EMI濾波器和降壓轉(zhuǎn)換器“ LMR33630-Q1”

根據(jù)所選的電容器和布局，簡單地移除電容器可以提供一些改進(jìn)。

驗(yàn)證結(jié)果

作為去除圖3中的 CHF1的結(jié)果，在FM波段的平均值檢測中觀察到了3dBμV到5dBμV的提高。在某些情況下，電容器可以工作，但是去掉電容器通常可以改善高頻下的結(jié)果。

技巧3：更改負(fù)載電阻的布置

在EMI測試中，電源電路在標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓和最大輸出電流下工作。該測試需要一個(gè)負(fù)載以使轉(zhuǎn)換器在此輸出功率下運(yùn)行，通常是電阻性的“虛擬”負(fù)載（請(qǐng)參見圖1中的 R LOAD）。所使用的負(fù)載類型（繞組電阻，非電感電阻等），所使用的散熱器（較大的散熱器用作電容耦合的天線，但如果散熱器太小，則電阻會(huì)過熱并在測試結(jié)束前損壞。電位和屏蔽處理（接地屏蔽可減少電容耦合，但會(huì)產(chǎn)生熱量并增加所需的負(fù)載/散熱器尺寸）。

圖1（重新發(fā)布）：降壓電路的電路原理圖（左）和波形（右）

負(fù)載電阻的另一個(gè)考慮因素是如何將負(fù)載電阻連接到輸出的重要方面。這些技巧類似于“技巧2”。僅使用陶瓷電容器的輸出會(huì)與輸出電容器到負(fù)載連接的寄生電感產(chǎn)生諧振。在幾乎沒有阻尼的情況下，這種共振可以防止EMI測試通過。防止這種諧振成為EMI的主要來源的最簡單方法是將負(fù)載直接焊接到陶瓷輸出電容器，從而最大程度地減少寄生電感并降低諧振，或者該區(qū)域移至較高頻率。無論如何，都知道諧振是否引起EMI。

驗(yàn)證結(jié)果

將負(fù)載從VOUT引腳直接移至一塊板上的輸出電容器的結(jié)果是，F(xiàn)M頻帶中的平均值檢測結(jié)果提高了10dBμV。換句話說，結(jié)果從22dBμV（比限制高4dBμV）提高到12dBμV（比限制低6dBμV）。

結(jié)論

降低EMI的方法是科學(xué)技術(shù)方法。關(guān)于EMI相關(guān)最佳實(shí)踐的文章，應(yīng)用筆記和培訓(xùn)材料很多。從一開始就盡力通過測試也很重要，但是不能保證相關(guān)PCB能始終通過第一項(xiàng)測試。這就是為什么在不對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大更改的情況下提高EMI的策略很重要的原因。本文中介紹的技巧將花費(fèi)很長時(shí)間來實(shí)施，但利用這些技巧可以改善EMI并通過測試。