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开关电源EMI设计-电源PCB设计要点

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开关电源EMI设计中的电源PCB设计要点

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开关电源 EMI 设计-电源 PCB 设计要点 摘要:由于开关电源的开关特性,容易使得开关电源产生极大的电磁兼容方面的 干扰,作为一个电磁兼容工程师,或则一个 PCB layout 工程师必须了解电磁兼 容问题的原因已经解决措施,特别是 layout 工程师,需要了解如何避免脏点的 扩大,本文主要介绍了电源 PCB 设计的要点。 1, 几个基本原理:任何导线都是有阻抗的;电流总是自动选择阻抗最小的 路径;辐射强度和电流、频率、回路面积有关;共模干扰和大 dv/dt 信号对地互 容有关;降低 EMI 和增强抗干扰能力的原理是相似的。 2, 布局要按电源、模拟、高速数字及各功能块进行分区。 3, 尽量减小大 di/dt 回路面积,减小大 dv/dt 信号线长度(或面积,宽度 也不宜太宽,走线面积增大使分布电容增大,一般的做法是:走线的宽度尽量大, 但要去掉多余的部分),并尽量走直线,降低其隐含包围区域,以减小辐射。 4, 感性串扰主要由大 di/dt 环路(环形天线),感应强度和互感成正比,所 以减小和这些信号的互感(主要途径是减小环路面积、增大距离)比较关键;容 性串扰主要由大 dv/dt 信号产生,感应强度和互容成正比,所有减小和这些信号 的互容(主要途径是减小耦合有效面积、增大距离,互容随距离的增大降低较快) 比较关键。 5, 尽量利用环路对消的原则来布线,进一步降低大 di/dt 回路的面积,如图 1 所示(类似双绞线利用环路对消原理提高抗干扰能力,增大传输距离): 图 1 ,环路对消( boost 电路的续流环) 6, 降低环路面积不仅降低了辐射,同时还降低了环路电感,使电路性能更 佳。 7, 降低环路面积要求我们精确设计各走线的回流路径。 8, 当多个 PCB 通过接插件进行连接时,也需要考虑使环路面积达到最小, 尤其是大 di/dt 信号、高频信号或敏感信号。最好一个信号线对应一条地线,两 条线尽量靠近,必要时可以用双绞线进行连接(双绞线每一圈的长度对应于噪声 半波长的整数倍)。如果大家打开电脑机箱,就可以看到主板到前面板 USB 接 口就是用双绞线进行连接,可见双绞线连接对于抗干扰和降低辐射的重要性。 9, 对于数据排线,尽量在排线中多安排一些地线,并使这些地线均匀分布在 排线中,这样可以有效降低环路面积。 10, 有些板间连接线虽然是低频信号,但由于这些低频信号中含有大量的高 频噪声(通过传导和辐射),如果没有处理好,也很容易将这些噪声辐射出去。 11, 布线时首先考虑大电流走线和容易产生辐射的走线。 12, 开关电源通常有 4 个电流环:输入、输出、开关、续流,(如图 2 )。 其中输入、输出两个电流环几乎为直流,几乎不产生 emi ,但容易受干扰;开 关、续流两个电流环有较大的 di/dt ,需要注意。如果输入、输出两个电容用多 个电容并联使用,需保证每个电容的布线具有相近的阻抗(长度、宽度),并使 阻抗尽量小,以减小串入输入、输出端干扰。 图 2 , Buck 电路的电流环 13, mos ( igbt )管的栅极驱动电路通常也含有较大的 di/dt 。 14, 在大电流、高频高压回路内部不要放置小信号回路,如控制、模拟电路, 以避免受到干扰。 15, 减小易受干扰(敏感)信号回路面积和走线长度,以减小干扰。 16, 小信号走线远离大 dv/dt 信号线(比如开关管的 C 极或 D 极,缓冲 (snubber) 和钳位网络),以降低耦合,可在中间铺地(或电源,总之是常电位 信号)进一步降低耦合,铺地和地平面要良好接触。小信号走线同时也要尽量远 离大 di/dt 的信号线,防止感性串扰。小信号走线最好不要走到大 dv/dt 信号的 下方。小信号走线背面如果能够铺地(同性质地),也能降低耦合到的噪声信号。 17, 比较好的做法是,在这些大 dv/dt 、 di/dt 信号走线(包括开关器件的 C/D 极、开关管散热器)的周围和背面铺地,将上下两层铺地用过孔连接,并 将此地用低阻抗走线接到公共接地点(通常为开关管的 E/S 极,或取样电阻)。 这样可以减小辐射 EMI 。要注意,小信号地一定不能接到此屏蔽地上,否则会 引入较大干扰。大 dv/dt 走线通常会通过互容将干扰耦合到散热器及附近的地, 最好将开关管散热器接到屏蔽地上,采用表贴开关器件也会降低互容,从而降低 耦合。 18, 易产生干扰的走线最好不要使用过孔,它会通过过孔干扰过孔所穿过的 所有层。 19,屏蔽可以降低辐射 EMI ,但由于增大了对地的电容,会使传导 EMI(共 模,或非本征差模)有所增大,不过只要屏蔽层接地得当,不会增大很多。实际 设计中可权衡考虑。 20, 要防止共阻抗干扰,采用一点接地,电源从一点引出。 21, 开关电源通常有三种地:输入电源大电流地、输出电源大电流地、小信 号控制地,地的连接方法见如下示意图: 22, 接地时首先应先判断地的性质,再进行连接。采样及误差放大的地通常 应当接到输出电容的负极,采样信号通常应从输出电容的正极取出,小信号控制 地和驱动地通常要分别接到开关管的 E/S 极或取样电阻上,防止共阻抗干扰。 通常 IC 的控制地和驱动地不单独引出,此时取样电阻到上述地的引线阻抗必须 尽量小,最大程度减小共阻抗干扰,提高电流采样的精度。 23, 输出电压采样网络最好靠近误差放大器,而不是靠近输出端,这是由于 低阻抗信号比高阻抗信号更不容易受到干扰,采样走线对要尽量相互靠近以减小 拾取到的噪声。 24, 布局注意电感要远离,并相互垂直,以减小互感,尤其是储能电感和滤 波电感。 25, 布局注意高频电容和低频电容并联使用时,高频电容靠近使用者。 26, 低频干扰一般为差模( 1M 以下),高频干扰一般为共模,通常通过 辐射耦合。 27, 如果高频信号被耦合到输入引线,很容易形成 EMI (共模),可在输 入引线接近电源处套一个磁环,如果 EMI 降低就表明存在此问题。解决此问题 的方法是,降低耦合或降低电路的 EMI 。如果高频噪声没有被过滤干净而传导 到输入引线,也会形成 EMI (差模),此时套磁环不能解决问题,在输入引线 接近电源处串两个高频电感(对称),如果 EMI 降低就表明存在此问题。解决 此问题的方法是改善滤波,或采用缓冲、钳位等手段减小高频噪声的产生。 28, 差模和共模电流的测量: 29, EMI 滤波器要尽量靠近进线,进线的走线要尽量短,尽量减小 EMI 滤 波器前后级的耦合。进线最好用机壳地进行屏蔽(方法如上所述)。输出 EMI 滤 波器也要作类似处理。尽量拉开进线和高 dv/dt 信号走线的距离,在布局上要加 以考虑。

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