减少直流-直流转换器电磁干扰的PCB设计技巧

文章作者:肯尼斯·怀亚特

来自DC-DC转换器的自我生成的EMI具有长期困扰无线和IOT设备的设计者。宽带谐波含量通常延伸到1.5 GHz，包括大多数无线协议，蜂窝LTE和GPS / GNSS频带。

关于如何减少无线和物联网设备的自产生电磁干扰，我已经写了几篇文章，并举办了一些网络研讨会，解决自产生电磁干扰的关键方法之一是通过适当的PCB设计。下面的参考文献中提到了一些文章，我最近在这个主题上做了一个长时间的网络研讨会。如果你错过了演讲，录音版本是坐落在这里．网络研讨会引出了几个关于PCB设计和减少直流-直流转换器的EMI的问题，你可以在下面找到我的答案。

问:什么时候可以用电路轨迹来参考电源平面?

图1这是一个常见的四层叠加的例子，可能会有非常差的EMI。

这是一个常见的问题，并由使用典型的四层和六层板设计，其中电力和地回返平面通常完全分开（万博投注网址图1）.如果你了解高频(>100 kHz)信号实际上是电磁波，其返回电流通常参照数字地面返回，那么你就会更好地理解为什么参照电源平面是一个坏主意。这些回流电流需要找到一种“以某种方式”回到数字回流的方法，它们所走的道路可能会产生EMI。在我看来，非关键信号(低频、控制信号等)可能与功率有关，当且仅当功率面和返回面耦合非常紧密，且通过去耦电容旁路良好时。这不是典型的四层和六层板堆叠的一般情况。在大多数情况下，运行参考电源平面的高频数字信号是电磁干扰的高风险。我建议参考我的四部分系列设计低EMI板。

问：“地面倾倒”有助于隔离嘈杂的信号吗？

隔离“噪声”信号的最好方法是通过适当的PCB堆栈;即所有高频(>100 kHz)数字信号的轨迹应与固体返回平面相邻。这将束缚电磁波。回程飞机的中断会导致EMI增加15到20分贝(参见参考资料中我在网站上的视频演示)。根据Eric Bogatin博士在美国，地面倒雨更多的时候实际上并没有帮助，也可能是有害的，这取决于板的设计，因为在某些情况下，地面倒雨会出现在返回飞机上的“裂缝”。我建议你去他的网站查阅更多有关PCB设计和地面浇筑的资料。

问：在从电路板的顶部运行时钟跟踪时，它有多么重要的是加入返回当前附近的通孔？

视情况而定;许多EMC问题的通常答案!如果电源和返回平面位于一起(2-3密耳，最大)，并且有足够的去耦电容位于电路板周围，那么为返回电流路径增加一个附近的通路就不那么重要了。然而，对于像时钟这样的关键轨迹，我会增加一个或多个，以确保电磁波有一个紧密的边界。我再次向您推荐我的用于低EMI的PCB设计系列．

问：上升和下降时间有什么影响，并且占脉冲宽度的百分比应该上升和跌倒是什么样的百分比？

埃里克·博加廷博士在他的书中对这个话题进行了很好的讨论，信号和电源完整性简化，第三版(请看下面的推荐书目)。简单地说，可以使用方程BW = 0.35/RT，其中BW(带宽)的单位是GHz, RT(上升时间在10-90%)的单位是ns。因此，对于1 ns的上升时间，带宽约为0.35 * 1 GHz，或350 MHz。脉冲宽度影响谐波的幅度。当它减小时，整体振幅也减小。随着脉冲宽度的减小，会有一个点，上升和下降时间将开始出现一个圆形脉冲(给定固定的RT/FT)，所以有一个点，漂亮的方形脉冲形状开始瓦解。我不确定百分比RT和脉冲宽度的一般规则。

问:电子只能以每秒1cm的速度移动?

这个问题与我的解释有关数字信号如何在PCB中传播的说法。我们中的大多数人被教导（或者至少是暗示的），即信号是铜线或痕迹中的电子流，并且电子在近光速度移动。虽然DC电路是真的，但是电子不在接近光速下行进，因为它们在铜分子内太紧。在高频（> 100 kHz）处，数字信号是通过铜迹线和返回平面之间的介电层传播的真实电磁波。在DC和100 kHz之间，有一个过渡区域，其中信号从纯直流电流转换为电磁波。

图2微带在地面返回平面上的横截面是数字信号的物理描述，以电磁波的形式在道和返回平面之间的介质空间中传播。

这种电磁传播模型由两个元素组成;传播波本身，其在电介质（假设FR4电介质）中的大约半光速和导通电流的组合，其是铜分子中的电子流，并且位移电流（“通过”电介质）（图2）.这个传导电流是你用安培计测量的，但是电子的移动速度只有1厘米/秒。我发现这个数字信号传播的物理模型在大多数领域和波的教科书中通常都没有教授。不过，我推荐两本参考书目:信号和电源完整性简化，第三版埃里克·博加廷(Eric Bogatin)博士所著(245至252页)电磁解理解释 - 无线/ RF，EMC和高速电子设备的手册罗恩·施密特(Ron Schmitt)著(33- 34,84 -86和96-98页)。也看到我的用于低EMI的PCB设计系列．

问:有集成电感的功率模块对低EMI更好吗?

是的，因为输入和输出循环区域最小化。一个例子是芯片（SoC）上的线性技术的“μmodule”系统。看图3和模拟设备关于μModule buck-boost稳压器的页面。

图3这个来自Linear Technology的DC-DC转换器的例子显示了集成的电感(或变压器)，Cin和Cout都集成到一个SoC中。这种设计最大限度地减少噪声电流回路，降低EMI。来源:线性技术

问:我们是否需要切割至交换机节点平面下方以减少电场耦合?

这是一个很好的问题！显然，我们希望将交换节点（SW）跟踪的跟踪区域最小化到电感器，以减少到该点的耦合，在该示例中可以切换到42V平方波，并且可以产生激烈的电子字段（图4）.

图4这是一个典型的DC-DC降压转换器，显示了开关节点(SW)和输出电感。争论的焦点是是否在SW节点或感应器周围切断返回平面，或两者都切断。来源:线性技术

几年前，我觉得切断开关节点(SW)区域的返回平面对减少电容耦合很重要，直到我真正开始从物理角度研究数字(或电源开关，在这种情况下)是如何工作的。虽然我现在强烈认为返回飞机应该作为一个固体飞机在所有部分的DC-DC转换器，你的论点不能完全打折扣，可能取决于确切的情况。

知名的EMC和PCB设计专家(Dr. Todd Hubing, Rick Hartley和Daniel Beeker)认为返回平面应该是坚固的。另一方面，我认识的SI和PDN专家(比如史蒂夫·桑德勒)也在考虑你的想法。目前，我与史蒂夫·桑德勒和托德·哈宾共同发起了一项研究，我们将研究这个问题。史蒂夫同意做几块电路板测试信号和电源的完整性我会测量辐射和传导的辐射。它应该是有趣的，并可能以技术论文的形式结束。目前，我对稳定返回飞机的看法是，除非证明不是这样。

问:使用吸收材料，我们可以看到EMI被衰减了。但是，这些东西不是会被放在电路内部的某个不可预测的地方，而不是留在电路外部吗?

从集成电路或电路轨迹发出的辐射实际上被吸收并在有损耗的铁氧体材料中转化为热量。

系列铁氧体珠在DC-DC转换器的输入和输出是一个好主意吗?

由于有射频设计的背景，这在射频电路中是相当普遍的做法——我仍然相信这种技术可以成功地使用。近年来，当我研究权力正直时，我改变了我的想法。对于良好的配电网络(PDN)性能，您不希望在PDN中有任何串联阻抗。这一点在后期得到了清楚的说明史蒂夫堰在他的PowerCon演讲以及他们在书中的埃里克·波哥汀博士和拉里史密斯的最近教科书，PDN设计的电力完整性原则简化．如果你选择在输入或输出滤波器中尝试这些，请确保在铁氧体珠和数字开关转换器IC之间增加一个额外的散装电容(4.7到27 μF陶瓷)，我仍然不推荐添加这些。

问:是否应该将DC-DC转换器放置在PCB的底部，而将敏感模拟电路放置在顶部?

是的，这是一个很棒的想法，我的一些客户已经成功地使用了这个想法。通常，射频部分建立在顶层，所有的数字处理和控制位于底层。在中间至少有一个坚实的地面返回平面是非常重要的，你需要小心任何关键(高频)信号在顶部和底部之间的路由。重要的是要确保返回电流和信号通过的连续路径。

问:优秀的DC-DC转换器PCB设计的例子?

此时我所能建议的是，通过将这些组件非常靠近DC-DC转换器IC，并保持输入电路和输出电路之间的隔离，来减少Cin和Cout(加开关电感)的环路面积。在板的顶部或底部找到所有相关的组件，并确保一个固体返回平面相邻。

问:你提到了共享Cin和Cout接地引脚。你能再讨论一下这个话题吗?

当CIN（降压转换器的嘈杂循环）和COUT（用于升压转换器的嘈杂环路）共享与地面相同的电流返回路径时，噪声可能会通过该常见阻抗返回路径耦合，并污染“安静”侧面（无论是降压/正在使用助推器拓扑）。图5展示了Cin和Cout连接到同一点的一个很好的例子。请注意，不只是TI会无意中提出这些糟糕的布局建议，所有的设备制造商有时也会这样做。你需要能够追踪出主要的电流回路，并确保初级和次级电路彼此分离良好。

图5这个TI公司LMR33630的糟糕电路布局的例子显示Cin和Cout共享相同的地面返回路径。这种共同的阻抗耦合将把降压变换器的噪声电流耦合到输出电压轨。来源:德州仪器公司

Q:在DC-DC转换器上隔离Cin和Cout接地参考的最佳方法是什么?

这与上面的问题有关。最好的办法就是分开。如果你按照电路原理图(输入回路-转换器IC -输出回路)来布置电路板，你的情况就会很好。

问:你没有提到CM和DM排放。是否有PCB辐射减少DM有时会导致CM增加，反之亦然?是否有一种通用的PCB辐射减少技术，可以同时减少两种类型的辐射?

减少CM和DM电磁干扰的最好方法是通过适当的PCB堆叠。所有信号轨迹都应该有一个相邻的地面返回平面，所有电源平面/轨迹也应该有一个相邻的地面返回平面。我们希望将数字信号电磁波从起点到终点限制在铜迹线与回程平面之间。我们想限制任何电网瞬变(也包括电磁波)在铜平面/轨迹和返回平面之间。我最近做了一些DM和CM的实验我在LISN上的文章．

问:你提到要让DC-DC转换器远离处理器和其他数字电路。然而，低电压轨(1V5, 0V8等)需要更接近数字接收器，电压下降的惩罚危及电压水平。对于这个案子，你有什么特别的建议吗?

图6有时它会在您所在的产品附近找到DC-DC转换器更好的意义。只需务必遵循所有通常的预防措施，例如保持电流循环最小化并确保下面的固体返回平面。

在保持分区目标的同时布局pcb始终是一种折衷(图6）.是的，有时候(经常吗?)直流-直流变换器电路需要位于数字处理区域内。我只是想提醒你保持DC-DC转换器布局的一般规则，并确保在所有数字和功率转换电路下面有一个相邻的固体返回平面。

我还避免定位电力转换太近的系统的RF部分。一些无线模块制造商建议在模块附近定位电源转换电路，并且我已经看到了这样做的客户设计的真正问题。万博投注网址DC-DC转换器电感器和开关节点周围生成的大型E场。定位天线附近的这些字段是真的坏消息。

此外，我强烈建议计划在电源转换和数字处理部分上使用本地屏蔽。如果不需要，那么很好，但知道通常是必要的（特别是对于物理上小的电路板），并且如果没有预先计划的附着点，则很难实现。

问:EMI滤波器(反射型LC滤波器)和EMI吸收器，哪个是最有效的?

哈!嗯，我想传统的滤波器会更好，因为它们可以衰减到40 dB左右，然而，它们的带宽可能会比更宽带的铁氧体吸收器更窄。柔性铁氧体吸收片(图7和8)，另一方面，通常良好的只有5至20 dB的吸收。我想需要做些实验。我建议你去我关于铁氧体吸收剂的文章．

图7使用微带衰减方法测量铁氧体吸收板。

图8下面是Arc-Tech WaveX铁氧体吸收器的吸收图，它恰好在正常的蜂窝LTE和其他低于2ghz的无线/GPS频段工作得很好。

问:你会推荐哪本EMC书?

我提到了上面的几个，但是来自我自己的图书馆的这些最爱立即来到思想（没有特别的顺序）：

• 亨利·奥特电磁兼容工程，第二版:一种更实际的治疗方法，可能也是最著名的参考
• 克莱顿保罗,电磁兼容性介绍，第二版:一种更学术化的治疗
• Eric Bogatin，信号和电源完整性简化，第三版
• 史密斯和Bogatin,PDN设计权力完整性原则
• 史蒂文•桑德勒电力完整性 - 在电子系统中测量，优化和排除功率相关参数
• 拉尔夫•莫里森接地和屏蔽-电路和干扰，第6版
• 拉尔夫•莫里森快速电路板-强调数字信号的电磁波性质
• 大卫威斯顿，电磁兼容性，第3版：更前往军事系统
• 安德烈和怀亚特,产品设计师EMI故障排除手册:良好的EMC基础理论，测量技术和故障排除
• 怀亚特，创建您自己的EMC故障排除工具包，第1卷-第二卷(排放)和第三卷(豁免)即将出版
• Wurth Elektronik的磁学三部曲，第五版

这篇文章最初发表于经济日报．

- - - - - -Kenneth Wyatt.是Wyatt技术服务的总裁兼首席顾问。

参考文献

1. 怀亚特，用近场探针描述直流-直流变换器EMI,版
2. 怀亚特，设计电磁干扰pcb:信号如何移动-第1部分,版
3. 怀亚特，平台干扰,版
4. 怀亚特，铁氧体吸收片插入损耗的测量,版
5. 各种视频演示的EMC设计原则，Wyatt技术服务
6. 怀亚特，评价:Tekbox LISN Mate对于评估滤波电路很有价值,版