低EMI DC/DC變換器PCB設(shè)計

概述

由于每個開關(guān)電源都會產(chǎn)生寬頻帶噪聲，所以，想要將汽車電路板網(wǎng)絡(luò)中DC/DC變換器集成到汽車控制裝置中的同時，還能滿足汽車OEM的EMC標(biāo)準(zhǔn)，簡直是難上加難。

通常，DC/DC變換器和其他高速電路的噪聲會通過有效天線路徑的連接電纜傳播輻射。為了阻斷這些潛在輻射路徑，就需要在每個電纜連接處過濾掉噪聲。因為只有噪聲源的磁場和電場沒有耦合到濾波器件或電纜中時，此種濾波才有效。

在近場環(huán)境中，場強的下降與距離平方的倒數(shù)成正比(1/d2)。因此，噪聲源、濾波器件和連接器之間必須有一個最小距離。

但實際上，通常會根據(jù)機械尺寸提前定義好PCB尺寸和電纜連接器的位置。另外，在PCB的某些區(qū)域中，最大元器件的高度可能非常有限，還有可能無法雙面組裝。這時，需仔細(xì)布局元器件的位置和PCB走線 - 尤其針對汽車制造等高標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)。

布局規(guī)劃

為避免直接將DC/DC變換器中的電場磁場耦合進(jìn)連接器和電纜，電路請務(wù)必盡遠(yuǎn)離PCB連接點布置（見圖1）。

圖1噪聲源離連接器和電纜越遠(yuǎn)越好

距離或額外的屏蔽能降低電磁兼容濾波器、連接器和電纜的場強。可以考慮用屏蔽代替距離！

最好至少使用4層板、兩端貼片的PCB，這樣，DC/DC電路和濾波器件就可以放在板子的反面。其中，至少有一層應(yīng)為全部的GND，以便最大限度地降低噪聲源到濾波電路的交叉耦合。

在DC/DC電路必須非?？拷B接器的系統(tǒng)中，一定要在設(shè)計早期考慮好有效的屏蔽。散熱片有時也可以用于屏蔽。理想情況下，電感、帶功率MOSFET的DC/DC IC及其去耦電容都應(yīng)放在屏蔽層的下方。

PCB布局指南

在降壓變換器中，主要場源有：

高di/dt環(huán)路（熱環(huán)路），由兩個電源開關(guān)和輸入電容組成，輻射寬帶磁場

功率FET與電感之間的開關(guān)節(jié)點，帶有強電場輻射

電感，輻射電場和磁場

交流磁場通過固體金屬區(qū)域屏蔽，允許感應(yīng)渦流。由于其高導(dǎo)電性，所以銅非常有效。PCB中返回固定電位的電位差路徑中的任何導(dǎo)體都能有效地屏蔽電場輻射。

任何高di/dt環(huán)路都會輻射與環(huán)路面積和電流幅度成比例的磁場。將輸入電容靠近兩個電源開關(guān)，并使用低阻抗連接，以最大限度地減小天線環(huán)路面積。

為了進(jìn)一步減少來自該回路的磁場，需要在電源開關(guān)處對稱放置兩組電容。理想情況下，兩個回路中的峰值電流為原始值的一半，能將磁場降低至6 dB。而且兩個環(huán)路的方向相反，可以進(jìn)一步減少輻射磁場[1]。

在DC/DC電路的下一層中應(yīng)該有一個完整的GND區(qū)域，且間隔需小于100μm。在此鋪銅區(qū)域中，流過電路元器件和PCB走線的高di/dt電流會產(chǎn)生渦流。渦流與元器件側(cè)的原始電流相反，它們的磁場會抵消原始磁場。如果渦流能夠在最近的距離內(nèi)對元器件側(cè)的高di/dt回路電流進(jìn)行鏡像，則效果最佳。這可以減少來自PCB元器件側(cè)的磁場輻射。在理想情況下（超導(dǎo)、零距離且兩個環(huán)路完美匹配），輻射將被來自渦流的磁場抵消。

在DC/DC電路的下一層中應(yīng)該有一個完整的GND區(qū)域，且間隔需小于100μm。在此鋪銅區(qū)域中，流過電路元器件和PCB走線的高di/dt電流會產(chǎn)生渦流。渦流與元器件側(cè)的原始電流相反，它們的磁場會抵消原始磁場。如果渦流能夠在最近的距離內(nèi)對元器件側(cè)的高di/dt回路電流進(jìn)行鏡像，則效果最佳。這可以減少來自PCB元器件側(cè)的磁場輻射。在理想情況下（超導(dǎo)、零距離且兩個環(huán)路完美匹配），輻射將被來自渦流的磁場抵消。

多層PCB的3D視圖說明了這一概念(圖 2)。

圖2 3D PCB視圖 - 布局是電路的一部分

頂層為輸入電容（CIN）、兩個功率FET連接VIN區(qū)域以及PGND區(qū)域（以紅色顯示），它們通過過孔連接到內(nèi)層。對于VIN路徑，過孔后面的元件必須為電感（例如1μH至2μH的線圈）。來自開關(guān)轉(zhuǎn)換的高di/dt電流僅在CIN中流動，并不在PCB上流動。

PGND區(qū)域不直接連接到元件側(cè)的任何其他GND，只通過過孔連接到DC/DC模塊下的PGND區(qū)域（以藍(lán)色顯示）。這樣可以把高頻電流限制在在元件側(cè)，將噪聲與“外部世界”分開。PCB至少一層應(yīng)該全是GND，以提供低阻抗的系統(tǒng)基準(zhǔn)。請記住，布局也是電路的一部分。

應(yīng)在電感下方鋪銅嗎？

某些PCB布局會預(yù)設(shè)置不得在電感核心下方鋪銅。對于這個問題觀點不一，有的認(rèn)為完全不能鋪銅，而有的則覺得可以在PCB元件側(cè)線圈正下方鋪銅。

圖 3線圈下沒有鋪銅的4層PCB

圖 3顯示了線圈周圍的磁場圖，在4層PCB的任何層中線圈下方都沒有鋪銅。來自線圈的強磁場線出現(xiàn)在PCB的底部以及靠近PCB的地方，并耦合到任何連接的線徑中。PCB上的濾波器組件被空氣旁路。這使得滿足汽車OEM EMC目標(biāo)實施起來非常困難，幾乎不可能。

圖 4顯示的PCB布局中，銅直接位于元件側(cè)的線圈下方。

圖 4PCB線圈下方鋪銅的影響

這為渦流提供了一個區(qū)域，可以用于消除已經(jīng)產(chǎn)生的PCB外部磁場。內(nèi)層2和底層是干凈的。EMC濾波器組件可以有效地放置在底部。渦電流的磁場稍微降低了線圈的有效電感（通常小于5％）。渦流還會在GND銅中產(chǎn)生一些損耗。直接在電感核心下面鋪銅的另一個缺點是增加了繞組到GND的寄生電容。然而，在大多數(shù)設(shè)計中，由于電容非常低，這個影響并不大。

責(zé)任編輯：彭菁