低emi DC/DC转换器的PCB设计

文章作者:Jens Hedrich

每一个开关电源都有一个宽带噪声源。将汽车板网中的DC/DC变换器集成到汽车控制单元中，同时满足汽车整车厂的EMC要求是一项艰巨的任务。

通常，来自DC/DC转换器和其他高速电路的噪声通过连接电缆辐射，提供有效的天线路径。为了阻止这种潜在的辐射路径，在每个电缆连接点都需要过滤器电路。这种滤波只有在噪声源耦合到滤波器组件或电缆中没有H或e场时才有效。

在近场环境中，场的振幅下降1/距离的平方(1/d)²)．因此，噪声源、滤波器组件和连接器之间需要有一定的最小距离。

不幸的是，电缆的PCB尺寸和连接器位置通常是由机械约束预先定义的。此外，在PCB的某些区域，最大组件高度可能非常有限，双面组装可能不可能。这些条件需要仔细的组件放置和PCB布局，特别是在高度规范的行业，如汽车制造。

房地产规划
为避免DC/DC变换器的E场和h场直接耦合到连接器和电缆上，电路必须放置在尽可能远离PCB连接点的地方(图1)．

图1将噪声源放置在离连接器和电缆最大距离的地方

只有距离或额外的屏蔽才能将EMC滤波器、连接器和电缆的场强降低到必要的低水平。屏蔽可以代替距离!

最好使用至少四层的双面拼装PCB，其中DC/DC电路和滤波器组件放置在板的相对两侧。至少有一个内层应该是坚实的GND，以减少噪声源到滤波器电路的交叉耦合。

在直流/直流电路必须非常靠近连接器的系统中，在设计过程中必须尽早考虑有效屏蔽。必要的热散热器有时可用于屏蔽。理想情况下，电感、带功率mosfet的DC/DC IC和它的去耦电容都位于屏蔽之下。

PCB布局的指导方针
在降压变换器中，主要的场源有:

交流磁场被固体金属区屏蔽，允许感应涡流。由于导电率高，铜非常有效。电位差路径上的任何导体返回到PCB上的固定电位差将有效地屏蔽e场辐射。

任何高di/dt环路辐射h场正比于环路面积和电流振幅。将输入电容放置在靠近两个电源开关的低阻抗连接处，以减少天线环路面积。

为了进一步减少这个回路的磁场，在电源开关处对称地放置两组电容器。理想情况下，两个回路的峰值电流将是原来的一半，使h场降低6 dB。两个环的方向相反，进一步降低了辐射h场[1]。

DC/DC电路下一层应有一个坚实的GND区域，间隔小于100µm。在这个铜区域，高di/dt电流流过电路元件和PCB痕迹诱导涡流。涡流在分量一侧与原始电流方向相反，它们的磁场与原始磁场相抵消。如果涡流能以最小的距离从组件侧镜像高di/dt环电流，则效果最好。这减少了来自PCB组件一侧的h场辐射。在理想情况下(超导，零距离，两环形状完美匹配)，它将被涡流的h场抵消。

由于DC/DC电路下的GND铜区域有阻抗，高di/dt涡流产生电位差，使该区域有噪声。噪声GND区域必须与系统GND区域分离，特别是与滤波器和连接器的任何GND参考区域分离。在多层PCB中，这些是通过塑造各个层和通过它们之间的连接通道的阻抗来分离的。

多层PCB的3D视图说明了这个概念(图2)．

图23D PCB视图-布局是电路的一部分

在最上层，输入电容(C_在)，两个功率fet连接成V型_在区域和PGND区域(红色区域)通过通道连接到内层。对V_在在通道中，通道后的元件必须是感应元件(例如1µH到2µH线圈)。从开关过渡而来的高di/dt电流被迫只在C中流动_在，而不是通过PCB。

保护地线与部件侧的其他地线不直接连接，只能通过DC/DC模块下的保护地线(蓝色部分)连接。其目标是将高频电流保持在元件一侧，将噪声与“外部世界”分离。至少有一层是实心GND，以提供低阻抗系统参考。记住，布局是电路的一部分。

电感器下面应该放铜吗?
一些PCB布局工具有一个预设，不允许铜下的电感核心。关于这个话题的观点从没有铜到直接在PCB组件侧线圈下的铜。

图34层PCB，线圈下面没有铜

图3显示了一个草图线圈周围的磁场没有铜下线圈在任何一层的4层PCB。来自线圈的强磁场线存在于PCB的底部，并围绕着PCB，有效地耦合到任何连接电缆。PCB上的过滤元件通过空气旁路。这使得它很难(如果不是不可能的话)达到汽车OEM的EMC水平。

图4显示PCB布局与铜直接下的线圈在组件侧。

图4PCB线圈下铜的影响

这提供了用于涡流的区域，以取消已经在PCB外部的磁场。内层2和底层是干净的。EMC过滤器部件可以有效地放置在底侧。涡流的磁场稍微减少线圈的有效电感（通常小于5％）。涡流还在GND铜中产生了一些损失。直接在电感器芯下的铜的另一个小缺点是从绕组到GND增加的寄生电容。然而，在大多数设计中，由于电容非常万博投注网址低，因此这种效果不占主导地位。

[继续阅读EDN US:PCB布局］

Jens Hedrich是单片电源系统的高级现场应用工程师。