PCB设计3个技巧，轻松降低降压电路中的EMI

电磁干扰（EMI）在汽车电源产品中一直是一个挑战。随着轻度混合动力电动汽车（MHEV）解决方案的兴起，系统中的许多电子电路将电池电压从12V转换为48V，从而使EMI更具挑战性。

大多数设计汽车电路的工程师都知道如何通过滤波器设计，布局指南和众多管理功能（例如扩频和倒装芯片封装）来降低EMI。但是，鲜为人知的信息是一些技巧，这些技巧可以帮助大幅降低降压转换器的EMI，而无需重新设计电路板。这些技巧可能是10分钟EMI测试通过或电路板重新设计的转折点。

通过参考以下三个简单的EMI技巧，避免不必要的印刷电路板（PCB）制造风险。

图1：降压电路的电路原理图（左）和波形（右）

技巧1：旋转功率电感器

在降压转换器中，使用带有电感器和电容器的滤波器将开关波形（开关节点：V SW）转换为直流波形（输出电压：V OUT）。图1是降压电路的示意电路图。

如图1所示，电感器端子之一连接到V SW，这会引起EMI噪声。该节点上的电压是一个具有快速边沿的方波，从0V摆动到电池电压。在某些MHEV设计中，最高可达到48V。另一个端子连接到V OUT，并且相对于EMI在电气上安静，接近DC。正确的PCB布局技术要求将开关节点的表面积最小化，以减少与接地层的电容耦合。否则，会产生大量的共模噪声，从而导致不良的EMI性能。相同的电容耦合缓解可以应用于电感器。EMI性能将根据电感器的结构和方向而变化。

如图2所示，功率电感器基本上只是一根缠绕在芯材上的导线。您可以从上到下缠绕一层，也可以将绕组缠绕成多层。但是，此分析中重要的是，电感器的两个端子永远不会完全对称。只需将电感器旋转180度，即可交换连接到高噪声开关节点的电感器端子。这将产生不同的EMI结果。

图2：电感器结构示意图。单层（左）和多层（右）

通过将一个有噪声的开关节点连接到底部绕组开始的端子（图2，L1的端子B），可以减少单层电感器中的电容耦合。绕组的底部实际上更靠近电路板，因此，与连接到绕组顶部的端子相比，电路板上的GND平面提供的屏蔽更多。为了减少多层电感器的电容耦合，请将噪声开关节点从内层连接到绕组开始的端子（图2，L2的端子D）。那样，线圈的高噪声部分被绕组外部的线圈的低噪声V OUT部分有效地屏蔽。

在原理图（图1中的L）上显示为点的端子通常表示线圈内部绕组的起始位置。这是应连接到开关节点以降低EMI的端子。并非所有厂商，也不是所有电感器都使用这种针对性的方法。但是，如果仅将电感器旋转180度，就可以看到结果是否有所改善。

验证结果

使用同步整流器LMR33630-Q1（Texas Instruments）在13.5V IN，5V OUT，3A OUT，400kHz两层板上旋转电感器，可使FM频段提高8dBμV。做完了 平均检测结果从108 MHz时的15dBμV（比国际无线电干扰委员会[CISPR]的25％5级限值低3dBμV）提高到7dBμV（比CISPR 25 5级限值低11dBμV）。

技巧2：卸下EMI滤波器电源端子上的电容器

EMI滤波器通常由电感器和铁氧体磁珠组成，有时使用共模扼流圈，如图3所示。在这三个部分之前和之后以及每个部分之间放置电容器。通常，在滤波器的第一部分中放置一个小型高频陶瓷电容器，并将其连接到距离降压电路最远的电源端子（图3，CHF1）。这个想法很简单，增加一个电容器可以减少电源端子上产生的纹波。这通常会降低差模EMI，但可能无助于改善EMI性能。

如图3所示，CHF1（最左边的电容器）由于连接电池和电容器（电池到J1）的线束的物理特性所引起的寄生电感而与电池的+ 12V和GND（IN +和IN-）分开。提供低电阻路径。具有电感和电容的低电阻路径会以与电感和电容乘积的平方根成反比的角频率谐振。0.1μF电容器在108MHz（FM频带的上限，在EMI测试期间称为难以通过的频率）谐振时所需的电感仅为0.022nH。

图3：电路图示例，显示了EMI滤波器和降压转换器“ LMR33630-Q1”

根据所选的电容器和布局，简单地移除电容器可以提供一些改进。

验证结果

作为去除图3中的 CHF1的结果，在FM波段的平均值检测中观察到了3dBμV到5dBμV的提高。在某些情况下，电容器可以工作，但是去掉电容器通常可以改善高频下的结果。

技巧3：更改负载电阻的布置

在EMI测试中，电源电路在标准输入电压和最大输出电流下工作。该测试需要一个负载以使转换器在此输出功率下运行，通常是电阻性的“虚拟”负载（请参见图1中的 R LOAD）。所使用的负载类型（绕组电阻，非电感电阻等），所使用的散热器（较大的散热器用作电容耦合的天线，但如果散热器太小，则电阻会过热并在测试结束前损坏。电位和屏蔽处理（接地屏蔽可减少电容耦合，但会产生热量并增加所需的负载/散热器尺寸）。

图1（重新发布）：降压电路的电路原理图（左）和波形（右）

负载电阻的另一个考虑因素是如何将负载电阻连接到输出的重要方面。这些技巧类似于“技巧2”。仅使用陶瓷电容器的输出会与输出电容器到负载连接的寄生电感产生谐振。在几乎没有阻尼的情况下，这种共振可以防止EMI测试通过。防止这种谐振成为EMI的主要来源的最简单方法是将负载直接焊接到陶瓷输出电容器，从而最大程度地减少寄生电感并降低谐振，或者该区域移至较高频率。无论如何，都知道谐振是否引起EMI。

验证结果

将负载从VOUT引脚直接移至一块板上的输出电容器的结果是，FM频带中的平均值检测结果提高了10dBμV。换句话说，结果从22dBμV（比限制高4dBμV）提高到12dBμV（比限制低6dBμV）。

结论

降低EMI的方法是科学技术方法。关于EMI相关最佳实践的文章，应用笔记和培训材料很多。从一开始就尽力通过测试也很重要，但是不能保证相关PCB能始终通过第一项测试。这就是为什么在不对设计进行重大更改的情况下提高EMI的策略很重要的原因。本文中介绍的技巧将花费很长时间来实施，但利用这些技巧可以改善EMI并通过测试。