一文講透如何在擁擠的電路板上實現(xiàn)低EMI的高效電源設計

時間：2024-10-13 20:23:46

關鍵字： EMI 電路板

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[導讀]有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設計周期以及嚴格的電磁干擾（EMI）規(guī)范（例如CISPR 32和CISPR 25）這些限制因素，都導致獲得具有高效率和良好熱性能電源的難度很大。

有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設計周期以及嚴格的電磁干擾(EMI)規(guī)范(例如CISPR 32和CISPR 25)這些限制因素，都導致獲得具有高效率和良好熱性能電源的難度很大。在整個設計周期中，電源設計通?；咎幱谠O計過程的最后階段，設計人員需要努力將復雜的電源擠進更緊湊的空間，這使問題變得更加復雜，非常令人沮喪。為了按時完成設計，只能在性能方面做些讓步，把問題丟給測試和驗證環(huán)節(jié)去處理。簡單、高性能和解決方案尺寸三個考慮因素通常相互沖突：只能優(yōu)先考慮一兩個，而放棄第三個，尤其當設計期限臨近時。犧牲一些性能變得司空見慣;其實不應該是這樣的。

本文首先概述了在復雜的電子系統(tǒng)中電源帶來的嚴重問題：即EMI，通常簡稱為噪聲。電源會產(chǎn)生EMI，必須加以解決，那么問題的根源是什么?通常有何緩解措施?本文介紹減少EMI的策略，提出了一種解決方案，能夠減少EMI、保持效率，并將電源放入有限的解決方案空間中。

在設計開關電源時，您可能聽說過電磁干擾(EMI)

越來越多的應用必須通過EMI標準，制造商才獲得商業(yè)轉(zhuǎn)售批準。開關電源意味著器件內(nèi)部有電子開關，EMI可通過它產(chǎn)生輻射。

本文將介紹開關電源中EMI的來源以及降低EMI的方法或技術。本文還將向您展示電源模塊(控制器、高側(cè)和低側(cè)FET及電感器封裝為一體)如何幫助降低EMI。

開關電源中EMI的來源

首先，必須尊重物理定律。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電可產(chǎn)生電磁場。每個電導體中均會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，其自身帶有一些可以形成振蕩電路的電容和電感。該振蕩電路以特定頻率(f=1/(2*π*sqrt(LC)))將電磁能輻射到空間中。該電路充當電磁能的發(fā)射器，但也可以接收電磁能并充當接收器。天線設計是為了最大化傳輸或接收能量。

但并非每個應用都應該像天線一樣，而且這種設計可能會產(chǎn)生負面影響。例如，開關降壓電源設計用于將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，但它們同時也充當了(有害的)電磁波發(fā)射器，可能干擾其他應用，例如干擾AM頻段。這種效應稱為EMI。

為了確保功能正常運行，最大限度地減少EMI源非常重要。國際無線電干擾特別委員會(CISPR)定義了各種標準，如作為汽車電氣應用基準的CISPR 25，以及針對信息技術設備的CISPR 22。

如何降低電源設計的EMI輻射呢?一種方法是用金屬完全屏蔽開關電源。但在大多數(shù)應用中，由于成本和空間的原因，這種方法無法實現(xiàn)。一種更好的方法是減少和優(yōu)化EMI源。許多文獻已經(jīng)詳細討論了這一專題;本文推薦了兩種方式。

讓我們回顧一下開關電源中EMI的主要來源，以及為什么電源模塊可以幫助您輕松降低EMI。

減小布局中的電流環(huán)路

顧名思義，開關電源是用來進行轉(zhuǎn)換的。它們的作用是以幾百千赫到幾兆赫的頻率打開和關閉輸入電壓。這就導致了快速電流轉(zhuǎn)換(dI/dt)和快速電壓轉(zhuǎn)換(dV/dt)。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電流和電壓產(chǎn)生交變電磁場。這些電磁場從其原點徑向擴散，它們的強度隨距離而降低。

圖1.來自開關電源的EMI會對負載和主電源產(chǎn)生影響。

圖2.在輸入端、開關和輸入電容器之間形成臨界電流環(huán)路。

圖3.減小環(huán)路區(qū)域有助于降低EMI

磁場和電場會干擾應用的導電部件(例如，印刷電路板[PCB]上的銅跡線，就像天線一樣)并在線路上產(chǎn)生額外的噪聲，這樣又會導致發(fā)生EMI(見圖1)。實際上幾瓦功率的轉(zhuǎn)換就會擴大EMI的輻射范圍。

圖4.引腳排列有助于減小環(huán)路面積。左圖：優(yōu)化的引腳排列;右圖：非優(yōu)化布局，幾乎無法形成良好的布局。

輻射的電磁能與其流過的電流量(I)和環(huán)路面積(A)成正比。減小交流電流和電壓環(huán)路的面積有助于降低EMI(見圖2和圖3)。

著眼于引腳排列(見圖4)可以幫助您通過減小高dI/dt環(huán)路面積來更好地設計良好布局。例如，開關節(jié)點能夠引發(fā)高電流變化(dI)和高電壓轉(zhuǎn)換(dV)。良好的引腳排列可以分離噪聲敏感引腳和噪聲引腳。開關節(jié)點和啟動引腳應盡可能遠離噪聲敏感型反饋引腳。此外，輸入引腳和接地引腳應相鄰。這樣便簡化了PCB上的布線和輸入電容器的放置。

圖5顯示了LMR23630 SIMPLE SWITCHER®轉(zhuǎn)換器的改進評估模塊(EVM)。兩個輸入電容器距離輸入引腳約2.5厘米。之所以如此排列，是為了模擬不良布局，因為電流環(huán)路區(qū)域(圖5中的紅色矩形)比數(shù)據(jù)表所要求和建議的要大。圖5中的橢圓形紅色形狀表示轉(zhuǎn)換器和電感器之間的開關節(jié)點。IC和電感器之間的環(huán)路面積越小越好。

圖5.輸入引腳和輸入電容器之間環(huán)路面積(紅色矩形)較大的錯誤布局示例。在IC和電感器之間形成第二個環(huán)路區(qū)域(橢圓形紅色形狀)。

圖6中的曲線圖顯示了LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射，其中只有VIN、GND和輸入電容器之間形成的環(huán)路面積不同。良好的布局中電容器盡可能靠近輸入引腳和接地引腳(環(huán)路面積盡可能地小)。而不良的布局中輸入電容器距離輸入引腳2.5厘米，從而形成一個較大的環(huán)路面積。

圖6.LMR23630轉(zhuǎn)換器輸入電容布局對EMI輻射的影響。

圖6中曲線圖的紅線表示不良布局的EMI輻射。藍線表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個環(huán)路面積會產(chǎn)生巨大的影響。LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。

圖7.不同類型電源模塊的內(nèi)部組成。在這兩種情況下，電感器均位于IC晶片的頂部。

因此，在采用降壓轉(zhuǎn)換器或降壓電源模塊進行設計時，如何放置輸入電容器應該是首要考慮因素之一。電源模塊還具有以下優(yōu)點：電感器和IC之間的關鍵環(huán)路面積已經(jīng)過優(yōu)化。電感器在封裝內(nèi)部與集成電路連接(見圖7)。這種放置方式會在封裝內(nèi)部形成一個較小的環(huán)路區(qū)域。因此，不必將噪聲開關節(jié)點布線在印刷電路板上。

電源模塊中屏蔽了其中的大多數(shù)電感器，以防止來自線圈的電磁輻射。在非常靠近電感器的地方會發(fā)生高電流電壓轉(zhuǎn)換，并且開關節(jié)點的一部分電磁場受到屏蔽，電感器位于引線框架的頂部(見圖7)。

快速的電壓和電流瞬變

快速瞬變會導致開關節(jié)點發(fā)生振鈴，從而產(chǎn)生EMI。在某些情況下，轉(zhuǎn)換器可連接至啟動引腳。將一個電阻器與啟動電容器串聯(lián)放置會增加上升時間(dt)，在降低EMI的同時損失了效率。

圖8.將啟動電阻器添加到LMR23630轉(zhuǎn)換器開關節(jié)點的影響。EMI輻射較低，但由于開關損耗較高，因此效率有所降低。

圖8顯示了LMR23630 EVM的EMI輻射掃描。對布局進行更改后，將輸入電容器放在距引腳約2.5厘米遠的位置，以模擬不良布局，并展示啟動電容器的放置將如何影響EMI特性。在設計中多放一個啟動電容器可能比完全改變布局更容易。建議您在設計時始終將啟動電容器考慮進去，以備不時之需。如果沒有，您可以使用0Ω電阻器來減少PCB上的空間。

將啟動電阻器與啟動電容器串聯(lián)可以降低EMI頻譜。某些頻率范圍中的發(fā)射會降低達6dB。圖8還顯示了效率平衡情況。使用30.1Ω的電阻器縮短上升時間dt，從而將效率降低1%以上。

看一下功率損耗就更能說明這一點。滿載(3A)的功率損耗從1.9W增加到2.1W。功率損耗超過10%時,可能會導致散熱問題。

在開關節(jié)點引腳和接地引腳之間放置一個小型肖特基二極管可以降低反向恢復電流，從而降低同步轉(zhuǎn)換器中的開關節(jié)點電流振鈴dI，但這樣會提高物料清單(BOM)成本?；蛘?，您可以添加一個緩沖網(wǎng)絡，其中包含一個位于開關節(jié)點與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開關節(jié)點振鈴的能量，但需要知道附加組件的振鈴頻率和正確計算。這種方法同樣會降低開關電源的效率。

電流路徑中的寄生電感和電容

對于同步降壓轉(zhuǎn)換器，每個IC架構(gòu)會產(chǎn)生不同強度的噪聲，表現(xiàn)為EMI輻射。但很難從數(shù)據(jù)表中找到這一項。大多數(shù)數(shù)據(jù)表都沒有提供EMI圖，因為PCB布局、BOM組件和其他因素會對EMI特性產(chǎn)生影響。幸運的話，EVM用戶指南會提供此特定設計的EMI特性圖。但如果您的設計與EVM的布局和BOM不匹配，您所設計的應用的EMI特性可能會有很大差異。電源模塊簡化了布局，實現(xiàn)了快速簡便的設計，因為您只需要考慮一些經(jīng)驗法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線或切口數(shù)量;必要時，將其設計為與電流方向保持平行(圖9)。

圖9.PCB中的切口和跡線會影響電流，因此也會影響輻射EMI。

保護噪聲敏感節(jié)點免受噪聲節(jié)點的影響

盡可能縮短噪聲敏感節(jié)點，并遠離噪聲節(jié)點。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡到反饋(FB)引腳的長跡線可以充當天線并捕獲電磁輻射干擾的噪聲(圖10)。這種噪聲會被引入FB引腳，致使輸出端產(chǎn)生額外的噪聲，甚至使器件不穩(wěn)定。在設計開關降壓調(diào)節(jié)器的布局時，將這一切都考慮在內(nèi)是一個挑戰(zhàn)。

表1.降壓轉(zhuǎn)換器中噪聲敏感節(jié)點和噪聲節(jié)點的示例。

圖10.始終將FB引腳上的電阻分壓器盡可能靠近FB引腳放置。

模塊的優(yōu)勢在于將噪聲敏感節(jié)點和噪聲節(jié)點保持在最低限度，從而最大限度地減小錯誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線盡可能短。

結(jié)論

在開關降壓轉(zhuǎn)換器中有許多用來調(diào)節(jié)EMI的旋鈕，但用來實現(xiàn)最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會花費大量寶貴的設計時間。電源模塊早已包括FET和電感器，這就使得創(chuàng)建和完成具有良好EMI特性的電源設計變得簡單而又快捷。使用降壓模塊進行設計時最關鍵的一點是一些外部元件的放置方式，這有助于顯著提高EMI特性。

轉(zhuǎn)換器和電源模塊的EMI比較

前文說明了開關電源中EMI的來源以及如何降低EMI?，F(xiàn)在，本文將通過比較轉(zhuǎn)換器和使用相同集成電路(IC)的電源模塊之間的測量結(jié)果，來演示模塊如何幫助減輕EMI輻射。兩者均來自TI的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品線，轉(zhuǎn)換器為LMR23630，電源模塊為LMZM33603，采用LMR23630 IC。通過對兩個器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數(shù)，因此結(jié)果僅取決于所選部件(轉(zhuǎn)換器或電源模塊)和布局。兩種EVM均具有良好的優(yōu)化布局。之后，將電容器放置在遠離輸入引腳的位置，就生成了不良布局。

LMR23630轉(zhuǎn)換器的性能

圖11.具有不同輸入電容布局的LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射。

圖11顯示了不同設計布局的四種不同EMI頻譜。設計布局從優(yōu)至劣排列(類似于圖5，只是把各步驟分開)。第一次測量(良好布局/藍線)時，未對EVM的布局做出更改(良好布局中所有的輸入電容器都非常靠近輸入引腳)。第二次測量(小電容器靠近/紅線)時，兩個4.7μF電容器均放置在距輸入引腳2.5厘米處。0.22μF的小電容器非常靠近輸入引腳。在第三(小電容器遠離/綠線)和第四(無小電容器/紫線)次測量時，小電容器分別距輸入引腳2.5厘米，然后完全移除。

您可以在圖11中看到輸入電容器的放置非常關鍵。將小輸入電容器遠離輸入引腳放置或?qū)⑵渫耆瞥龝`背CISPR 22 A3M級標準。將小電容器靠近輸入引腳放置可以最大限度地減少高頻環(huán)路面積。小電容器可濾除高頻噪聲，而較大電容的電容器可濾除低頻噪聲。

電源模塊的封裝中通常包含一個小輸入電容器。讓我們看看布局不良時電源模塊的性能。

LMZM33603電源模塊的性能

圖12顯示了電源模塊的EVM布局，同樣從優(yōu)至劣排列。藍線表示未更改EVM的EMI輻射。紅線和綠線表示不良布局，其中一條線有兩個4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方(紅線)。綠線的電容器距輸入引腳約3.5厘米(圖13中以紅色橢圓形突出顯示)。圖13中的紅色粗線還顯示了更改后的EVM，以及VIN、輸入電容器和接地之間形成的關鍵環(huán)路區(qū)域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級標準。