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[经验] 低EMI DC / DC转换器的PCB设计

助工
2019-11-17 13:59:15    评分

每个开关模式电源都有一个宽带噪声源。将车载网络中的DC / DC转换器集成到汽车控制单元中并仍然满足汽车OEM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会通过提供有效天线路径的连接电缆进行辐射。为了阻止该潜在的辐射路径,每个电缆连接点都需要滤波器电路。仅当没有噪声源的H场或E场耦合到滤波器组件或电缆中时,此过滤才有效。
在近场环境中,场的振幅在距离平方(1 / d 2)上下降1 。因此,噪声源,滤波器组件和连接器之间需要一定的最小距离。
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的某些区域中,最大组件高度可能会非常有限,并且可能无法进行双面组装。这些条件要求仔细地放置元件和进行PCB布局,尤其是在汽车制造业等受到严格监管的行业中工作时。
规划
为了避免将DC / DC转换器的电场和磁场直接耦合到连接器和电缆中,必须将电路放置在尽可能远离PCB连接点的位置(图1)。

图1放置噪声源与连接器和电缆的最大距离
只有距离或附加屏蔽才能将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组装PCB,其中DC / DC电路和滤波器组件放置在电路板的相对侧。至少一个内层应为固态GND,以最小化从噪声源到滤波器电路的交叉耦合。 
在必须将DC / DC电路放置在非常靠近连接器的系统中,必须在设计过程的早期就考虑有效的屏蔽。有时可以将需要散热的散热器用于屏蔽。理想情况下,电感器,带功率MOSFET的DC / DC IC及其去耦电容器均位于屏蔽层下方。
PCB布局指南
在降压转换器中,主要的磁场源为:

  • 高di / dt回路(热回路),由两个电源开关和CIN组成,可辐射宽带磁场

  • 功率FET和电感器之间的SW节点,具有强电场辐射

  • 感应器,它辐射电场和磁场



交流磁场被固体金属区域屏蔽,该区域允许感应出涡流。由于其高导电性,铜非常有效。电位差路径中的任何导体返回到PCB上的固定电位都将有效屏蔽电场辐射。
任何高di / dt环路都会辐射与环路面积和电流幅度成正比的H场。通过低阻抗连接将输入电容器靠近两个电源开关放置,以最大程度地减小天线环路面积。
为了进一步减小该环路产生的磁场,请在电源开关处对称放置两组电容器。理想情况下,两个环路中的峰值电流将是原始电流的一半,从而将H场减小6 dB。两个回路的方向相反,这进一步减小了辐射的H场[1]。
DC / DC电路下面的层中应该有一个固定的GND区域,其间距应小于100μm。在此铜区域中,流经电路组件和PCB走线的高di / dt电流会感应出涡流。涡流在元件侧与原始电流相反,并且它们的磁场抵消了原始磁场。如果涡流电流可以以最小的距离从组件侧镜像高di / dt环路电流,则效果最好。这减少了来自PCB组件侧的H场辐射。在理想情况下(超导,零距离和两个回路形状的完美匹配),H场会从涡流中消除它。
由于DC / DC电路下面的GND铜区域具有阻抗,因此高di / dt涡流会产生电势差并使该区域嘈杂。此嘈杂的GND区域必须与系统GND区域分开,尤其是与滤波器和连接器的任何GND参考之间。在多层PCB中,通过对各个层进行整形并通过它们之间的连接过孔的阻抗将它们分开。  
多层PCB的3D视图说明了这一概念(图2)。

图2 3D PCB视图–布局是电路的一部分
在顶层,输入电容器(C IN)和两个功率FET连接V IN区域和PGND区域(以红色显示),它们通过通孔连接到内层。对于V IN路径,通孔后的组件必须是电感性元件(例如1µH至2µH线圈)。然后,迫使开关转换产生的高di / dt电流仅流入C IN,而不流经PCB。
PGND区域不直接连接至组件侧的任何其他GND,仅通过通孔连接至DC / DC模块下方的PGND区域(以蓝色显示)。目的是使高频电流保持在元件侧,从而将噪声与“外界”隔离开来。对于整个PCB尺寸,至少应有一层实心GND,以提供低阻抗系统参考。请记住,布局是电路的一部分。
是否应将铜放在电感器下面?
某些PCB布局工具具有预设值,不允许铜芯位于电感器芯下。从根本没有铜到在PCB组件侧的线圈正下方的铜,人们的观点不一。

图3
线圈下无铜的4层PCB
图3显示了4层PCB的任何层中线圈周围磁场的示意图,线圈下方没有铜。来自线圈的强磁场线位于PCB的底部,并在PCB周围闭合,从而有效地耦合到任何已连接的电缆中。PCB上的过滤器组件通过空气旁路。这使得满足汽车OEM EMC级别非常困难,即使不是不可能。
图4显示了PCB布局,其中铜正好位于组件侧线圈下方。
 
图4
铜在PCB线圈下的影响
这为涡流提供了一个区域,以消除PCB外部已经存在的磁场。内层2和底层清洁。EMC滤波器组件可以有效地放置在底部。涡流的磁场会稍微降低线圈的有效电感(通常小于5%)。涡流还会在GND铜中产生一些损耗。直接在电感器芯下方的铜的另一个小缺点是,从绕组到GND的寄生电容增加。但是,在大多数设计中,由于电容非常低,因此这种影响并不明显。





关键词: 转换器     电路    

助工
2019-11-17 14:05:34    评分
2楼

谢谢楼主分享


助工
2019-11-17 14:10:53    评分
3楼

学习一下


助工
2019-11-17 14:16:47    评分
4楼

不错 又学到了


助工
2019-11-17 22:12:34    评分
5楼

这个可以申请论文了吧


助工
2019-11-30 14:49:26    评分
6楼

感谢分享


助工
2020-02-02 15:14:53    评分
7楼

这种经验真是可贵呀


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