SMPS電感器的裝配方向會(huì)影響輻射嗎

作者：Keith Szolusha, Gengyao Li, and Frank Wang

開關(guān)模式電源 （SMPS） 產(chǎn)生的 EMI 輻射頻譜是許多參數(shù)的函數(shù)，包括熱回路的大小、開關(guān)速度（壓擺率）和頻率、輸入和輸出濾波、屏蔽、布局和接地。一個(gè)潛在的輻射源是開關(guān)節(jié)點(diǎn)，在許多原理圖上稱為SW。SW節(jié)點(diǎn)銅可以充當(dāng)天線，傳輸快速高效的高功率開關(guān)事件產(chǎn)生的噪聲。這是大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的主要排放源。

頂層SW節(jié)點(diǎn)銅的量當(dāng)然應(yīng)該最小化，以限制天線尺寸。利用單片式開關(guān)穩(wěn)壓器（IC內(nèi)的電源開關(guān)），SW節(jié)點(diǎn)從IC到電感器，頂層有一條短走線。使用控制器（開關(guān)控制器 IC 外部的電源開關(guān)），SW 節(jié)點(diǎn)可以在開關(guān)上獨(dú)立，遠(yuǎn)離 IC。SW 節(jié)點(diǎn)銅連接到降壓和升壓開關(guān)拓?fù)渲须姼衅鞯囊粋?cè)。由于涉及許多性能參數(shù)，因此在PCB的XY平面或內(nèi)層上布局第1層SW節(jié)點(diǎn)有點(diǎn)像黑藝術(shù)（見圖1）。

圖1.DC3008A LT8386 低 EMI LED 驅(qū)動(dòng)器上第 1 層 XY 平面中的軟件節(jié)點(diǎn)突出顯示。

電感器幾何形狀

當(dāng)然，當(dāng)考慮電感端子時(shí)，SW節(jié)點(diǎn)也會(huì)垂直延伸（在Z平面上）。電感端子的垂直方向可以增加SW節(jié)點(diǎn)的天線效應(yīng)并增加發(fā)射。此外，內(nèi)部電感繞組可能不對(duì)稱。即使電感器的對(duì)稱端子表明封裝中隱藏著對(duì)稱結(jié)構(gòu)，元件頂部的極性指示器也能說(shuō)明不同的情況。圖2顯示了線藝XAL電感器系列的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)。扁平線繞組從元件底部開始，到頂部結(jié)束，因此在 Z 平面中，一個(gè)端子最終比另一個(gè)端子短得多。

此外，側(cè)面裸露SW節(jié)點(diǎn)的電感可能比具有屏蔽垂直金屬的電感性能差，如圖3所示。電路板設(shè)計(jì)人員可以選擇垂直端子和裸露端子數(shù)量最少的電感器來(lái)降低EMI，但是兩個(gè)電感端子的方向和對(duì)輻射的相對(duì)影響呢？

排放講述故事

被測(cè)電路板的低輻射性能是IC輻射性能和布局考慮因素的組合。即使使用低輻射單片IC，也必須注意布局，同時(shí)還要考慮關(guān)鍵輻射組件的組裝。為了證明這一點(diǎn)，我們研究了LT8386演示電路的主電感L1電路板上的定向影響（見圖4）。在這種情況下，電感器制造商線藝指定 XAL6060 系列電感器的短端子，并在組件的頂部標(biāo)記上用白線指定。EMI 暗室中的標(biāo)準(zhǔn) CISPR 25 傳導(dǎo)發(fā)射 （CE） 和輻射發(fā)射 （RE） 測(cè)試表明，該電感器的放置方向（見圖 5）會(huì)嚴(yán)重影響性能。

圖3.在EMI敏感設(shè)計(jì)中，要注意電感端子類型，而不僅僅是方向。

圖4.DC3008A LT8386 低 EMI LED 驅(qū)動(dòng)器示意圖中突出顯示了 SW 節(jié)點(diǎn)。將短邊端子放在方向 1 和方向 2 處，以比較完整的發(fā)射結(jié)果。

圖5.線藝XAL6060-223MEB電感器方向輻射測(cè)試采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動(dòng)器。SW 節(jié)點(diǎn)上具有短端子的 L1 方向 1（左）和 SW 節(jié)點(diǎn)上具有長(zhǎng)端子的 L1 方向 2（右）。排放結(jié)果如圖6至圖8所示。

圖6、圖7和圖8顯示，DC3008A的輻射性能直接受到演示電路上L1方向的影響，沒(méi)有其他組件變化。具體而言，低頻 RE（150 kHz 至 150 MHz）和 FM 頻段 CE（70 MHz 至 108 MHz）在方向 1（即放置在 SW 節(jié)點(diǎn)上的短邊端子）時(shí)具有較低的 EMI。AM頻段17 dBμV/m至20 dBμV/m的差異不容忽視。

并非所有電感的產(chǎn)生方式都相同。繞組方向、端子形狀、端子連接的形狀，甚至芯材都可能有所不同。具有不同磁芯材料和結(jié)構(gòu)差異的H場(chǎng)和E場(chǎng)的強(qiáng)度可能在電感器之間的不同發(fā)射中發(fā)揮作用。然而，這個(gè)案例研究揭示了一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域，可以利用它對(duì)我們有利。

圖6.輻射發(fā)射表明，DC3008A上的電感方向?qū)Y(jié)果有重大影響。通過(guò)將短邊端子連接到最小SW天線（紅色）的SW節(jié)點(diǎn)，輻射發(fā)射（RE）得到顯著改善。

圖7.電流探頭方法傳導(dǎo)發(fā)射（CE）顯示，與替代極性相比，將電感的短端連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，電感的短端發(fā)射（>3 MHz）有所改善。

圖8.電壓法傳導(dǎo)發(fā)射（CE）顯示，與替代極性相比，電感的短端連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，在3 MHz以上有所改善。

不帶極化指示器的電感器

如果電感器制造商用頂部絲網(wǎng)印刷標(biāo)記或圓點(diǎn)指示內(nèi)部端子尺寸的差異，則很容易確定方向。如果選擇其中一個(gè)電感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，明智的做法是在PCB的絲網(wǎng)印刷，裝配圖甚至原理圖中注明標(biāo)記。遺憾的是，有些電感器沒(méi)有極化或短路端子指示器。內(nèi)部的繞組結(jié)構(gòu)可能接近對(duì)稱，或者可能存在已知的結(jié)構(gòu)差異。這里沒(méi)有惡意——制造商可能沒(méi)有意識(shí)到他們產(chǎn)品中固有的這種非常特殊的裝配方向權(quán)衡。無(wú)論如何，我們建議在選定電感器的認(rèn)證腔室中評(píng)估兩個(gè)方向的輻射，以確?？芍貜?fù)的高性能測(cè)量。

有時(shí)沒(méi)有外部標(biāo)記，電感器的組裝方向不可避免地是任意的，但電感器對(duì)于其他參數(shù)是可取的。例如，伍爾特電子的WE-MAPI金屬合金功率電感器體積小，效率高。它們的端子僅位于機(jī)箱的底部。每個(gè)器件頂部靠近WE標(biāo)志的地方都有一個(gè)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)手冊(cè)上沒(méi)有將該點(diǎn)指示為繞組開始指示器（見圖9）。雖然這在一開始會(huì)帶來(lái)一些混亂，但預(yù)計(jì)該零件在兩個(gè)裝配方向上都具有相同的性能，并且具有相當(dāng)對(duì)稱的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)。因此，IC頂部的點(diǎn)不必在組件絲網(wǎng)印刷上標(biāo)明。不過(guò)，如果在EMI關(guān)鍵電路中使用，明智的做法可能是在兩個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)試以確保。

另一個(gè)例子：伍爾特WE-XHMI

我們使用高性能伍爾特電感測(cè)試了DC3008A，其繞組起點(diǎn)在封裝頂部和數(shù)據(jù)手冊(cè)中用一個(gè)點(diǎn)表示（見圖10）。74439346150 15 μH電感非常適合LT8386外形尺寸和電流要求。同樣，為了與線藝進(jìn)行比較，輻射測(cè)試是在兩個(gè)方向上安裝該電感的情況下進(jìn)行的（見圖11）。

結(jié)果（見圖12）與線藝電感相似。輻射結(jié)果表明，組件中電感器的方向?qū)椛溆酗@著影響。在這種情況下，圖11中的方向1顯然是實(shí)現(xiàn)最低排放的最佳方向。使用方向 1，較低頻率的 AM 頻段 （RE） 和 FM 頻段 （CE） 發(fā)射明顯更好。

圖9.WE-MAPI 電感器數(shù)據(jù)手冊(cè)未指示繞組點(diǎn)的開始，盡管組件頂部標(biāo)記上有一個(gè)繞組點(diǎn)的開始。這些電感器可能沒(méi)有方向-發(fā)射效應(yīng)，但應(yīng)進(jìn)行測(cè)試以確保。

圖 10.WE-XHMI系列電感器的繞組起點(diǎn)由頂部標(biāo)記表示。

圖 11.伍爾特74439346150（“WE 150”）電感器取向輻射測(cè)試采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動(dòng)器。L1 方向 1（左），SW 節(jié)點(diǎn)上繞組的短端子起點(diǎn)和 SW 節(jié)點(diǎn)上具有長(zhǎng)端子的 L1 方向 2（右）。圖12中的輻射結(jié)果表明，為了獲得最佳結(jié)果，繞組的起點(diǎn)應(yīng)連接到SW節(jié)點(diǎn)。

2開關(guān)節(jié)點(diǎn)降壓升壓IC（結(jié)果如下）

很明顯，電感方向會(huì)對(duì)單個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)升壓LED驅(qū)動(dòng)器的輻射產(chǎn)生影響。我們可以假設(shè)升壓穩(wěn)壓器具有相同的SW節(jié)點(diǎn)特征輻射結(jié)果，因?yàn)榉€(wěn)壓器和LED驅(qū)動(dòng)器電路中的功率轉(zhuǎn)換和開關(guān)元件相同。

我們還可以假設(shè)降壓穩(wěn)壓器在最小化電感端子的天線效應(yīng)方面具有類似的SW節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)。不過(guò)，由于降壓穩(wěn)壓器的SW節(jié)點(diǎn)更靠近轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)，后續(xù)工作可能有助于確定RE和CE區(qū)域中電感方向的影響是否與升壓穩(wěn)壓器相同。

對(duì)于2開關(guān)節(jié)點(diǎn)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，存在一些困境。常用的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（例如LT8390 60 V同步4開關(guān)降壓-升壓控制器系列中的轉(zhuǎn)換器）具有重要的低EMI特性，如SSFM和小型熱回路架構(gòu)。單電感器設(shè)計(jì)使電感方向如何影響輻射的畫面不太清晰。如果短端子放置在一個(gè)SW節(jié)點(diǎn)上，則長(zhǎng)端子就像另一個(gè)SW節(jié)點(diǎn)上的天線一樣。在這些設(shè)計(jì)中，哪個(gè)方向最好？當(dāng)所有四個(gè)開關(guān)都在 4 開關(guān)操作區(qū)域 （V在接近 V外)?

我們將在以后的文章中探討這個(gè)問(wèn)題，其中具有兩個(gè)SW節(jié)點(diǎn)的4開關(guān)降壓-升壓控制器針對(duì)電感方向進(jìn)行EMI測(cè)試。值得深思的是：對(duì)于這種拓?fù)洌苍S有兩個(gè)以上的選擇，相距 180°？

圖 12.輻射和傳導(dǎo)發(fā)射表明，伍爾特74439346150高性能電感器的裝配方向?qū)Πl(fā)射結(jié)果有重大影響。

結(jié)論

開關(guān)穩(wěn)壓器中電感器的組裝方向確實(shí)很重要。測(cè)量輻射時(shí)，請(qǐng)注意電感方向及其可重復(fù)性——注意所選電感的任何差異，在兩個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)試，并在無(wú)法確定方向時(shí)向電路板生產(chǎn)清楚地傳達(dá)任何可能的組裝陷阱。改善的輻射可能只需簡(jiǎn)單的180°電感旋轉(zhuǎn)即可。

審核編輯：郭婷