通过优化 PCB layout 有效降低 EMI

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欢迎收看工业及汽车系统 EMI 电源变换器设计第四讲 通过优化 PCB layout 有效降低 EMI 上一讲中我们有提到如何有效降低 EMI 在这一讲中我们将重点讨论 如何通过优化 PCB layout 来减小 EMI 这里给出三个关键的步骤 第一个 我们首先要定位到 哪些节点是高的 di/dt 然后我们要尽量地 减少 di/dt 环路的面积 最后就是要把一些敏感的信号保护起来 让它们远离噪声 这是一个经典的 buck 电路 首先我们来看看噪声源在什么地方 当上管导通时 电流会从输入电容的正端经过上管流经电感 经过输出电容或者负载回到输入电容 也就是图中所显示的红色的路径 当上管关闭下管导通时 由于电感电流不能突变 电流继续流经电感输出电容和负载 经过下管 流回到电感 流回到电感 如图中粉色路径所示 我们知道这两条路径都是大的电流 但是真正大的 di/dt 的环路 并不在这两条路径当中 而是由图中虚线所示 因为这两个环路当中 这一部分红色和粉色是重叠的 它们电流并没有特别大的变化 而粉色的这条路径当中 当上管导通和上管不导通的时候 它的电流分别是 从有电流到没有电流的一个突变 所以这个环路才是真正的大的 di/dt 认识到这个环路才是 真正产生大的 di/dt 的环路 那么我们的电容就不能这么放了 而应该是像下图所示 使得我们这个虚线的这个环路的面积足够小 从而更有效地减小 di/dt 的环路面积 同时我们要让 输入电容和上管下管放在同一层上 避免用过孔连接 因为过孔在高频电流上也会 表现出比较大的电感的特性 同时我们要把信号地和电源地分开 为了大家对这个理论有个更直观的了解 我们做了以下实验 这是一颗集成了上管和下管的同步 DCDC 在第一个例子当中 我们让输入电容尽量地靠近 IC 也就是说我们要让 这个高的 di/dt 的环路保持尽量地小 我们来观测三个参数 第一个是开关节点的峰值电压 第二个是输出电压的纹波 还有就是对这一个板子进行一个传导的测试 我们看到峰值电压为 16.2V V2 的峰值为 64mV 同时我们看到传导的最高值大约为 45dB 对于同一个板子 我们做的第二个实验是 让本来很靠近 IC 的这个电容 放得比较远 其它东西都没有变 我们重新测试刚刚所测的那三个参数 SW 电压从刚刚的16.2V 变到现在的 18.1V V2 的纹波电压 从刚刚的 64mV 变到 140mV 而传导测试的结果则 从刚刚的 45dB 变到现在的 50dB 所以大家很清楚地看到 输入电容与 IC 构成的环路面积 将直接的影响到我们电路参数的性能 也直接的影响到了传导 EMI 测试的结果 有很多时候虽然我们知道 我们要尽量地把输入电容靠近 IC 但是如果 PINOUT 不给力 恐怕也很难做到 所以 IC 的 PINOUT 设计 对于我们 PCB 的优化非常重要 我们来看这一个例子,这是 LN43602 输入和地在 IC 的右上角 输入电容可以比较方便地与它们靠得很近 同时开关节点放在左上角 可以比较方便地形成一个小的环路 同时 BOOT 电容就在 SW 的旁边 比较方便 BOOT 电容的连接 同时我们看到 FB 是 反馈环路当中比较敏感的点 它是运放的输入端,也是一个高阻点 所以它被安排到远离 SW 也就是说,它被安排到远离开关节点 这样能够很好地实现保护 这是另外一个例子 大家可以看到输入电容与 IC 的输入 和地之间也比较方便地可以靠得很近 从而实现大的 di/dt 环路的最小化 这是一个 PCB 优化的非常好的例子 我们来看一看 首先输入电容和 IC 尽可能地靠近 实现输入环路面积的最小化 黄色框框上面是电感 大家可以注意到 电感的 SW 端和输出端中间的铜箔 被挖掉了一块 其主要的目的是为了减小 SW 点 到输出点的寄生电容 主要是为了减少 SW 对输出的耦合 反馈电阻非常靠近反馈节点 并且远离开关节点 底层全部铺铜 以便更好地屏蔽和磁场的抵消 我们经常会说 底板全部铺铜 为了做到最好的屏蔽 那究竟为什么会有这个原理 我们来看一下 这里有一个例子 图中有两个 PCB 板都是双层板 上面我们讨论了 通过减小关键环路面积来减小 EMI 现在我们来讨论 如何利用铺地的方法来减小 EMI 我们都知道 PCB layout 常常利用铺地来实现屏蔽 其实一块完整的金属不仅可以实现屏蔽 同时也可以提供最短的电流回路 以实现环路面积的最小化 我们来看看这个例子 这里有两块 PCB 都是双层板 顶层的信号线如绿线所示 在左边的 PCB 板中 底层是一块完整的金属 而在右边的 PCB 板中 底层的金属并不完整 有一个以信号线垂直的切口 我们先来看看左边的板子 但信号从左到右流经顶层的信号线 并试图通过底层的金属返回时 它会按照主看最小的原理选择回路 所以返回路径出现在信号线的正下方 以顶层的信号所形成的环路面积是最小的 而且由于两个信号方向相反 电流所形成的磁场 在很大的程度上是互相抵消的 所以这样的布线效果 EMI 是非常有利的 而在右边的板子中 电流在寻找最短的路径时 由于下方的开口 电流只能绕行到最近的通路 如图所示 这样无意中就形成了一个较大的电流环路 因此 EMI 的性能就远不如左边的板子了 所以我们在铺地时最好使用一块完整的地 如果一定要切开 以尽量的保证上层信号线所对应的地方 没有断开 以达到最优的 EMI 效果 这一讲就讲到这, 谢谢
课程介绍 共计8课时,31分38秒

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本课程主要介绍了针对工业及汽车系统的低EMI电源变换器的特点,并主要讲述了常用的降低EMI的方法和技巧
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讲师

讲师: 谭润钦

MCP系统应用经理, 关注于工业和消费类电源管理芯片的定义,设计和支持。

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